JP6637427B2 - Magnetic element, skyrmion memory, skyrmion memory device, solid-state electronic device, data recording device, data processing device, and data communication device - Google Patents
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Description
本発明は、スキルミオンを生成、消去および検知可能な磁気素子、スキルミオンメモリ、スキルミオンメモリデバイス、固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置およびデータ通信装置に関する。 The present invention relates to a magnetic element capable of generating, erasing, and detecting a skyrmion, a skyrmion memory, a skyrmion memory device, a solid-state electronic device, a data recording device, a data processing device, and a data communication device.
磁性体の磁気モーメントをデジタル情報として利用する磁気素子が知られている。当該磁気素子は、情報保持時に電力を要さない不揮発性メモリの要素として機能するナノスケールの磁気構造を有する。当該磁気素子は、ナノスケールの磁気構造による超高密度性等の利点から大容量情報記憶媒体としての応用が期待され、エレクトロニクスデバイスのメモリデバイスとして、その重要度が増している。 2. Description of the Related Art A magnetic element using a magnetic moment of a magnetic body as digital information is known. The magnetic element has a nano-scale magnetic structure that functions as an element of a nonvolatile memory that does not require power to hold information. The magnetic element is expected to be applied as a large-capacity information storage medium because of its advantages such as ultra-high density due to a nanoscale magnetic structure, and its importance is increasing as a memory device of an electronic device.
次世代型のメモリ磁気デバイスの他の候補としては、米国ＩＢＭを中心にマグネチックシフトレジスタが提案されている。マグネチックシフトレジスタは、磁気ドメイン磁壁を駆動してその磁気モーメント配置を電流で転送し、記憶情報を読み出す（特許文献１参照）。 As another candidate for a next-generation memory magnetic device, a magnetic shift register has been proposed mainly by the United States IBM. The magnetic shift register drives a magnetic domain domain wall, transfers the magnetic moment arrangement by current, and reads stored information (see Patent Document 1).
図５７は、電流による磁気ドメイン磁壁駆動の原理を示す模式図である。互いに磁気モーメントの向きが相反する磁気領域の境界がドメイン磁壁である。図５７では、マグネチックシフトレジスタ１におけるドメイン磁壁を実線で示している。マグネチックシフトレジスタ１に、矢印の向きの電流を流すことにより磁気ドメイン磁壁が駆動する。ドメイン磁壁が移動することにより、磁気センサ２の上方に位置する磁気モーメントの向きによる磁気が変化する。当該磁気変化を磁気センサ２で検知して磁気情報を引き出す。 FIG. 57 is a schematic diagram showing the principle of magnetic domain domain wall driving by current. The boundaries of the magnetic regions where the directions of the magnetic moments are opposite to each other are domain domain walls. In FIG. 57, the domain wall in the magnetic shift register 1 is indicated by a solid line. The magnetic domain domain wall is driven by flowing a current in the direction of the arrow through the magnetic shift register 1. As the domain domain wall moves, the magnetism changes depending on the direction of the magnetic moment located above the magnetic sensor 2. The magnetic change is detected by the magnetic sensor 2 to extract magnetic information.
しかし、こうしたマグネチックシフトレジスタ１は、磁気ドメイン磁壁を動かす際に大きな電流を必要とし、また磁気ドメイン磁壁の転送速度が遅いという欠点を持っている。 However, such a magnetic shift register 1 has a disadvantage that a large current is required to move the magnetic domain domain wall, and that the transfer speed of the magnetic domain domain wall is low.
そこで、本願発明者は、磁性体中に発生するスキルミオンを記憶単位として使ったスキルミオン磁気素子を提案した（特許文献２参照）。この提案において本願発明者らは、スキルミオンを電流により駆動できることを示した。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］米国特許第６８３４００５号明細書
［特許文献２］特開２０１４−８６４７０号公報
[非特許文献１]永長 直人、十倉 好紀、"Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｋｙｒｍｉｏｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、英国、Ｎａｔｕｒｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ、２０１３年１２月４日、Ｖｏｌ．８、ｐ８９９−９１１．Then, the inventor of the present application proposed a skyrmion magnetic element using a skyrmion generated in a magnetic material as a storage unit (see Patent Document 2). In this proposal, the present inventors have shown that skyrmions can be driven by current.
[Prior art documents]
[Patent Document]
[Patent Document 1] US Pat. No. 6,834,005 [Patent Document 2] JP-A-2014-86470
[Non-Patent Document 1] Naoto Nagasaki, Yoshinori Tokura, "Topological properties and dynamics of magnetic skyrmions", Nature Nanotechnology, Nature Publishing, UK, April 12, 2013, Nature Publishing. 8, p899-911.
スキルミオンは、直径が１ｎｍから５００ｎｍと極微小な磁気構造を有し、その構造を長時間保持できることからメモリ素子に応用することへの期待が高まっている。しかし、スキルミオンの生成、消去および検知の機構の詳細が明らかではなかった。 Skyrmion has an extremely small magnetic structure with a diameter of 1 nm to 500 nm, and can hold the structure for a long time, so that expectations for application to a memory element are increasing. However, details of the mechanism of skyrmion generation, elimination and detection were not clear.
そこで、本願発明者はスキルミオンの生成、消去状態の関係の詳細を明らかにした上で、スキルミオンを磁場で生成、消去でき、スキルミオンを検知できる磁気素子及びスキルミオンメモリを発明し、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置およびデータ通信装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present inventors clarified the details of the relationship between the state of generation and erasure of skyrmion, and invented a magnetic element and skyrmion memory capable of generating and erasing skyrmion with a magnetic field and detecting skyrmion. An object of the present invention is to provide a solid-state electronic device, a data recording device, a data processing device, and a data communication device equipped with a lumion memory.
本発明の第１の態様においては、スキルミオンの生成及び消去が可能な磁気素子であって、非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、磁性体の一面において磁性体の端部を含む端部領域を囲んで設けた電流経路と、スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子とを備え、磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、２λ＞Ｗｍ＞λ／２、２λ＞ｈｍ＞λ／２となるサイズを備え、端部領域は、端部領域における磁性体の端部に平行な向きの幅をＷ、端部領域における磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈとすると、λ≧Ｗ＞λ／４、２λ＞ｈ＞λ／２となる磁気素子を提供する。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a magnetic element capable of generating and erasing skyrmions, wherein a thin-layered magnetic body having a structure surrounded by a non-magnetic body, and a magnetic body formed on one surface of the magnetic body. It has a current path provided surrounding an end region including an end, and a skyrmion detecting element for detecting generation and erasure of skyrmion. The magnetic material is generated when the width is Wm and the height is hm. The diameter of the skyrmion is 2λ> Wm> λ / 2, 2λ> hm> λ / 2, and the end region has a width in a direction parallel to the end of the magnetic body in the end region. W is a magnetic element that satisfies λ ≧ W> λ / 4 and 2λ> h> λ / 2, where h is the height of the end region in the direction perpendicular to the end of the magnetic body.
本発明の第２の態様においては、第１の態様に係る磁気素子であって、磁気素子が厚さ方向に積層した多層構造を有する磁気素子を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the magnetic element according to the first aspect, wherein the magnetic element has a multilayer structure in which the magnetic elements are stacked in a thickness direction.
本発明の第３の態様においては、第１の態様に係る磁気素子と、磁性体の一面に対向して設け、磁性体に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、磁気素子の電流経路に電流を印加することで、端部領域に第２磁場を発生させることが可能な第１電源と、スキルミオン検出素子に接続し、スキルミオンの生成及び消去を、抵抗値の変化として測定する測定部とを備えるスキルミオンメモリを提供する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a magnetic element according to the first aspect, a magnetic field generating unit provided to face one surface of the magnetic body, and applying a first magnetic field to the magnetic body from a first direction; A first power supply capable of generating a second magnetic field in an end region by applying a current to a current path of the first and a skyrmion detection element to generate and erase a skyrmion by changing a resistance value A skyrmion memory provided with a measuring unit for measuring the value as a memory.
本発明の第４の態様においては、第３の態様に係るスキルミオンメモリを一つの記憶単位メモリとして構成した複数のスキルミオンメモリと、複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを生成するために、複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン生成線と、複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを消去するために、複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン消去線と、スキルミオンの有無を検知するワード線と、スキルミオン生成線、スキルミオン消去線、ワード線にはスキルミオンメモリを選択する電界効果トランジスタと、ワード線に流れる電流もしくは電圧を増幅し、スキルミオンの有無を検出する検出回路とを備えるスキルミオンメモリデバイスを提供する。 In a fourth aspect of the present invention, a plurality of skyrmion memories configured as the skyrmion memory according to the third aspect as one storage unit memory and a plurality of skyrmion memories of the plurality of skyrmion memories are generated. A skyrmion generation line connected to a skyrmion memory, a skyrmion erase line connected to multiple skyrmion memories to erase skyrmions in multiple skyrmion memories, and a word line to detect the presence of skyrmions And a field effect transistor for selecting a skyrmion memory for the skyrmion generation line, skyrmion erase line, and word line, and a detection circuit for amplifying a current or voltage flowing through the word line to detect the presence or absence of skyrmion. Provide skyrmion memory devices.
本発明の第５の態様においては、基板と、基板上に形成した電界効果トランジスタと、電界効果トランジスタの上方に積層したスキルミオンメモリデバイスとを有し、スキルミオンメモリデバイスは、第３の態様に係るスキルミオンメモリを少なくとも一つ有するスキルミオンメモリ搭載のデータ処理装置を提供する。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a substrate, a field-effect transistor formed on the substrate, and a skyrmion memory device stacked above the field-effect transistor. And a data processor equipped with a skyrmion memory having at least one skyrmion memory.
本発明の第６の態様においては、第３の態様に係るスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスと固体電子デバイスを同一チップ内に形成しているスキルミオンメモリ搭載固体電子デバイスを提供する。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a solid-state electronic device equipped with a skyrmion memory, wherein a solid-state electronic device and a skyrmion memory device including at least one skyrmion memory according to the third aspect are formed in the same chip. I do.
本発明の第７の態様においては、第３の態様に係るスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ記録装置、データ処理装置、及びデータ通信装置を提供する。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a data recording apparatus, a data processing apparatus, and a data communication apparatus each including a skyrmion memory device including at least one skyrmion memory according to the third aspect.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all combinations of the features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.
スキルミオンを形成できる磁性体の一例としてカイラル磁性体がある。カイラル磁性体は、外部磁場の印加がない場合の磁気モーメント配置が、磁気モーメントの進行方向に対して螺旋上に回転する磁気秩序相（らせん磁性相）となる磁性体である。外部磁場を印加することにより、らせん磁性相は最密結晶格子に並んだスキルミオンを安定化するスキルミオン結晶相をへて強磁性相となる。 An example of a magnetic material that can form a skyrmion is a chiral magnetic material. A chiral magnetic material is a magnetic material in which the magnetic moment arrangement when no external magnetic field is applied is a magnetic ordered phase (spiral magnetic phase) that rotates helically with respect to the traveling direction of the magnetic moment. By applying an external magnetic field, the helical magnetic phase becomes a ferromagnetic phase through the skyrmion crystal phase that stabilizes the skyrmions arranged in the close-packed crystal lattice.
図１は、磁性体１１中のナノスケール磁気構造体であるスキルミオン４０の一例を示す模式図である。図１において、各矢印は、スキルミオン４０における磁気モーメントの向きを示す。ｘ軸およびｙ軸は互いに直交する軸であり、ｚ軸はｘｙ平面に直交する軸である。 FIG. 1 is a schematic view showing an example of a skyrmion 40 which is a nanoscale magnetic structure in the magnetic body 11. In FIG. 1, each arrow indicates the direction of the magnetic moment in the skyrmion 40. The x axis and the y axis are axes orthogonal to each other, and the z axis is an axis orthogonal to the xy plane.
磁性体１１は、ｘｙ平面に平行な平面を有する。磁性体１１中に配置したあらゆる向きを向く磁気モーメントは、スキルミオン４０を構成する。本例では、磁性体１１に印加する磁場の向きはプラスｚ方向である。この場合に、本例のスキルミオン４０の最外周の磁気モーメントは、プラスｚ方向に向く。 The magnetic body 11 has a plane parallel to the xy plane. The magnetic moments arranged in the magnetic body 11 in all directions constitute the skyrmion 40. In this example, the direction of the magnetic field applied to the magnetic body 11 is the plus z direction. In this case, the outermost magnetic moment of the skyrmion 40 of the present example is directed in the plus z direction.
スキルミオン４０において、磁気モーメントを最外周から内側へ向けて渦巻状に回転していくように配置する。さらに磁気モーメントの向きは、当該渦巻き状の回転に伴い渦の中心に向かって徐々にプラスｚ方向からマイナスｚ方向へ向きを変える。 In the skyrmion 40, the magnetic moment is arranged so as to spirally move inward from the outermost periphery. Further, the direction of the magnetic moment gradually changes from the positive z direction to the negative z direction toward the center of the vortex with the spiral rotation.
スキルミオン４０は中心から最外周の間において、磁気モーメントの向きが連続的にねじれる。つまり、スキルミオン４０は、磁気モーメントの渦巻き構造を有するナノスケール磁気構造体である。スキルミオン４０が存在する磁性体１１が薄い板状固体材料の場合、スキルミオン４０を構成する磁気モーメントをその厚さ方向は同じ向きの磁気モーメントで構成している。すなわち板の深さ方向（ｚ方向）には表面から裏面まで同じ向きの磁気モーメントからなる。本例において最外周とは、図１に示した外部磁場と同一の方向を向く磁気モーメントの円周を指す。 The direction of the magnetic moment of the skyrmion 40 is continuously twisted between the center and the outermost periphery. That is, the skyrmion 40 is a nanoscale magnetic structure having a spiral structure of magnetic moment. When the magnetic body 11 in which the skyrmion 40 exists is a thin plate-like solid material, the magnetic moment forming the skyrmion 40 is formed by the magnetic moment in the same thickness direction. That is, in the depth direction (z-direction) of the plate, the magnetic moments are in the same direction from the front surface to the back surface. In this example, the outermost circumference refers to the circumference of the magnetic moment oriented in the same direction as the external magnetic field shown in FIG.
スキルミオン数Ｎｓｋは、渦巻構造を有するナノスケール磁気構造体であるスキルミオン４０を特徴づける。以下の［数１］及び［数２］は、スキルミオン数Ｎｓｋを表現する。［数２］において、磁気モーメントとｚ軸との間の極角Θ（ｒ）は、スキルミオン４０の中心からの距離ｒの連続関数である。極角Θ（ｒ）は、ｒを０から∞まで変化させたとき、πからゼロまでまたはゼロからπまで変化する。 The skyrmion number Nsk characterizes the skyrmion 40, which is a nanoscale magnetic structure having a spiral structure. The following [Equation 1] and [Equation 2] represent the skyrmion number Nsk. In [Equation 2], the polar angle Θ (r) between the magnetic moment and the z-axis is a continuous function of the distance r from the center of the skyrmion 40. The polar angle Θ (r) changes from π to zero or from zero to π when r is changed from 0 to ∞.
［数２］において、ｍはボルテシテイ、γはヘリシテイである。［数１］および［数２］から、Θ（ｒ）がｒをから∞まで変化させ、πからゼロまで変化するときＮｓｋ＝−ｍとなる。 In [Equation 2], m is volatility and γ is helicity. From [Equation 1] and [Equation 2], when Θ (r) changes r from ∞ to π and from π to zero, Nsk = −m.
図２は、ヘリシテイγが異なるスキルミオン４０を示す模式図である。特に、スキルミオン数Ｎｓｋ＝−１の場合の一例を図２に示す。 FIG. 2 is a schematic diagram showing skillmions 40 having different helicities γ. In particular, FIG. 2 shows an example when the number of skyrmions Nsk = −1.
図２（Ｅ）は、磁気モーメントｎの座標のとりかた（右手系）を示す。なお、右手系であるので、ｎｘ軸およびｎｙ軸に対してｎｚ軸は、紙面の裏から手前の向きに取る。また、濃淡と磁気モーメントの向きとの関係を、図２（Ｅ）に示す。FIG. 2E shows how to take the coordinates of the magnetic moment n (right-handed system). Since a right-handed, n z axis relative to n x axis and n y axis, taken from the rear of the sheet in front of the orientation. FIG. 2E shows the relationship between the density and the direction of the magnetic moment.
図２（Ａ）から図２（Ｄ）において、濃淡は磁気モーメントの向きを示す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）における各矢印は、スキルミオン４０の中心から所定の距離だけ離れた磁気モーメントを示す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）に示す磁気構造体は、スキルミオン４０を定義する状態にある。図２（Ａ）から図２（Ｄ）の最外周のように、濃淡が最も淡い領域は、紙面の裏面から手前方向の磁気モーメントを示している。なお、図では当該磁気モーメントを白色で表す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）の中心のように、濃淡が最も濃い領域は、紙面の手前から裏面方向の磁気モーメントを示している。なお、図では当該磁気モーメントを黒色で表す。 In FIGS. 2A to 2D, the shading indicates the direction of the magnetic moment. Each arrow in FIGS. 2A to 2D indicates a magnetic moment separated from the center of the skyrmion 40 by a predetermined distance. The magnetic structure shown in FIGS. 2A to 2D is in a state in which the skyrmion 40 is defined. 2A to 2D, the region with the lightest shading indicates the magnetic moment in the direction from the back surface of the paper to the front. Note that the magnetic moment is shown in white in the figure. 2A to 2D, the darkest area indicates the magnetic moment from the near side to the back side of the page. In the figure, the magnetic moment is shown in black.
図２（Ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（Ｂ）（γ＝π）の各磁気モーメントの向きは、図２（Ａ）の各磁気モーメントを１８０°回転した向きである。図２（Ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（Ｃ）（γ＝−π／２）の各磁気モーメントの向きは、図２（Ａ）の各磁気モーメントを−９０度（右回りに９０度）回転した向きである。 With respect to the magnetic moments in FIG. 2A (γ = 0), the directions of the magnetic moments in FIG. 2B (γ = π) are obtained by rotating the magnetic moments in FIG. 2A by 180 °. Orientation. For each magnetic moment in FIG. 2A (γ = 0), the direction of each magnetic moment in FIG. 2C (γ = −π / 2) is obtained by subtracting each magnetic moment in FIG. This is a direction rotated by 90 degrees (90 degrees clockwise).
図２（Ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（Ｄ）（γ＝π／２）の各磁気モーメントの向きは、図２（Ａ）の各磁気モーメントを９０度（左回りに９０度）回転した向きである。なお、図２（Ｄ）に示すヘリシテイγ＝π／２のスキルミオン４０が、図１のスキルミオン４０に相当する。 For each magnetic moment in FIG. 2A (γ = 0), the direction of each magnetic moment in FIG. 2D (γ = π / 2) is such that each magnetic moment in FIG. (90 degrees counterclockwise). Note that the skyrmion 40 with the helicity γ = π / 2 shown in FIG. 2D corresponds to the skyrmion 40 in FIG. 1.
図２（Ａ）〜（Ｄ）に図示した４例の磁気構造は異なるように見えるが、トポロジー的には同一の磁気構造体である。図２（Ａ）〜（Ｄ）の構造を有するスキルミオン４０は、一度生成すると安定して存在し、外部磁場を印加した磁性体１１中で情報伝達を担うキャリアとして働く。 Although the magnetic structures of the four examples shown in FIGS. 2A to 2D seem to be different, they are topologically identical magnetic structures. The skyrmion 40 having the structure shown in FIGS. 2A to 2D is stably present once generated, and functions as a carrier for transmitting information in the magnetic body 11 to which an external magnetic field is applied.
図３は、スキルミオン４０の生成を可能とする磁気素子１０を示す模式図である。スキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０を用いてビット情報を保存する。例えば、磁性体１１におけるスキルミオン４０の有無が、１ビットの情報に対応する。本例のスキルミオンメモリ１００は、磁気素子１０、磁場発生部２０、測定部３０およびコイル電流用電源５０を備える。 FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the magnetic element 10 that enables the generation of the skyrmion 40. The skyrmion memory 100 stores bit information using the skyrmion 40. For example, the presence or absence of the skyrmion 40 in the magnetic body 11 corresponds to one bit of information. The skyrmion memory 100 of the present example includes a magnetic element 10, a magnetic field generator 20, a measuring unit 30, and a coil current power supply 50.
磁気素子１０は、スキルミオン４０の生成および消去が可能である。本例の磁気素子１０は、厚さを５００ｎｍ以下の薄層状に形成した素子である。例えば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）やスパッター等の技術を用いて形成する。磁気素子１０は、磁性体１１、電流経路１２およびスキルミオン検出素子１５を有する。 The magnetic element 10 is capable of generating and erasing skyrmions 40. The magnetic element 10 of the present example is an element formed in a thin layer having a thickness of 500 nm or less. For example, it is formed by using a technique such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) or sputtering. The magnetic element 10 has a magnetic body 11, a current path 12, and a skyrmion detection element 15.
磁性体１１は、印加する磁場に応じて、少なくともスキルミオン結晶相および強磁性相を発現させる。スキルミオン結晶相は、磁性体１１にスキルミオン４０が発生しうる材料を指す。例えば、磁性体１１は、カイラル磁性体であり、ＦｅＧｅやＭｎＳｉ等で形成している。 The magnetic body 11 develops at least a skyrmion crystal phase and a ferromagnetic phase according to the applied magnetic field. The skyrmion crystal phase refers to a material in which skyrmions 40 can be generated in the magnetic material 11. For example, the magnetic body 11 is a chiral magnetic body, and is formed of FeGe, MnSi, or the like.
磁性体１１は、非磁性体によって囲まれた構造を有する。非磁性体に囲まれた構造とは、磁性体１１の全方位が非磁性体に囲まれた構造を指す。磁性体１１は薄層状で形成してよい。磁性体１１は、例えばスキルミオン４０の直径の１０倍以下程度の厚みを有してよい。スキルミオン４０の直径とは、スキルミオンの最外周の直径を指す。 The magnetic body 11 has a structure surrounded by a non-magnetic body. The structure surrounded by the non-magnetic material refers to a structure in which all directions of the magnetic material 11 are surrounded by the non-magnetic material. The magnetic body 11 may be formed in a thin layer shape. The magnetic body 11 may have a thickness of, for example, about 10 times or less the diameter of the skyrmion 40. The diameter of the skyrmion 40 refers to the outermost diameter of the skyrmion.
電流経路１２は、磁性体１１の一面において磁性体１１の端部を含む領域を囲む。電流経路１２は、絶縁性素材等を用いて磁性体１１と電気的に隔離していてもよい。本例の電流経路１２は、Ｕ字状に形成したコイル電流回路である。Ｕ字状とは、角が丸い形状のみならず、図３のような直角を含む形状であってよい。電流経路１２は、ｘｙ平面において閉じた領域を形成しなくてよい。電流経路１６および端部の組み合わせが、磁性体１１の表面において閉じた領域を形成すればよい。電流経路１２は、コイル電流用電源５０に接続して、コイル電流が流れる。コイル電流が電流経路１２に流れることにより、磁性体１１に対して磁場を発生させる。電流経路１２を、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＮ、ＡｌＳｉ等の非磁性金属材料により形成する。本明細書において、電流経路１２に囲まれた領域をコイル領域ＡＣと称する。また、電流経路１２に囲まれた領域が磁性体１１の端部を含む場合のコイル領域ＡＣを、特に端部領域Ａと呼ぶ。本例の電流経路１２は、ｘｙ平面において、磁性体１１の端部を、非磁性体側から磁性体１１側に少なくとも１回横切り、且つ、磁性体１１側から非磁性体側に少なくとも１回横切る連続した導電路を有する。これにより電流経路１２は、磁性体１１の端部を含む領域を囲む。なお、端部領域Ａにおける磁場強度をＨａとする。The current path 12 surrounds a region including an end of the magnetic body 11 on one surface of the magnetic body 11. The current path 12 may be electrically isolated from the magnetic body 11 using an insulating material or the like. The current path 12 of the present example is a coil current circuit formed in a U-shape. The U-shape may be not only a shape with rounded corners but also a shape including a right angle as shown in FIG. The current path 12 does not need to form a closed area in the xy plane. The combination of the current path 16 and the end may form a closed region on the surface of the magnetic body 11. The current path 12 is connected to the coil current power supply 50, and the coil current flows. When the coil current flows through the current path 12, a magnetic field is generated in the magnetic body 11. The current path 12 is formed of a non-magnetic metal material such as Cu, W, Ti, Al, Pt, Au, TiN, and AlSi. In this specification, a region surrounded by the current path 12 is referred to as a coil region A C. Further, the coil area A C when a region surrounded by the current path 12 comprises an end portion of the magnetic body 11, particularly referred to as an end region A. The current path 12 of this example is a continuous path that crosses the end of the magnetic body 11 at least once from the non-magnetic side to the magnetic body 11 and at least once from the magnetic body 11 to the non-magnetic side in the xy plane. Having a conductive path. Thus, the current path 12 surrounds a region including the end of the magnetic body 11. The magnetic field strength in the end region A is defined as Ha.
スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン検知用磁気センサとして機能する。スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の生成および消去を検出する。例えば、スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の有無に応じて、抵抗値が変化する抵抗素子である。本例のスキルミオン検出素子１５は、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）である。スキルミオン検出素子１５は、磁性体１１の一面において磁性体１１の表面に接する非磁性体薄膜１５１と磁性体金属１５２との積層構造を有する。 The skyrmion detection element 15 functions as a skyrmion detection magnetic sensor. The skyrmion detection element 15 detects generation and deletion of the skyrmion 40. For example, the skyrmion detection element 15 is a resistance element whose resistance value changes according to the presence or absence of the skyrmion 40. The skyrmion detection element 15 of the present example is a tunnel magnetoresistance element (TMR element). The skyrmion detecting element 15 has a laminated structure of a non-magnetic thin film 151 and a magnetic metal 152 on one surface of the magnetic material 11 that is in contact with the surface of the magnetic material 11.
磁性体金属１５２は、磁性体１１からの上向きの磁場により上向きの磁気モーメントをもつ強磁性相となる。磁性体１１と、磁性体金属１５２の磁性体１１側と逆側の端部との間に、測定部３０を接続する。これにより、スキルミオン検出素子１５の抵抗値を検知できる。スキルミオン検出素子１５は、磁性体１１内にスキルミオン４０が存在しない場合の抵抗値が最小値を示し、スキルミオン４０が存在すると抵抗値が増大する。スキルミオン検出素子１５の抵抗値は、非磁性体薄膜１５１の電子のトンネル電流の確率が磁性体１１と強磁性相となった磁性体金属１５２との磁気モーメントの向きに依存することにより決まる。スキルミオン検出素子１５の高抵抗（Ｈ）と低抵抗（Ｌ）は、スキルミオン４０の有り無しに対応し、情報のメモリセル中に記憶する情報「１」と「０」に対応する。 The magnetic metal 152 becomes a ferromagnetic phase having an upward magnetic moment due to the upward magnetic field from the magnetic substance 11. The measuring unit 30 is connected between the magnetic body 11 and an end of the magnetic metal 152 on the side opposite to the magnetic body 11. Thereby, the resistance value of the skyrmion detection element 15 can be detected. The resistance value of the skyrmion detection element 15 when the skyrmion 40 does not exist in the magnetic body 11 shows the minimum value, and the resistance value increases when the skyrmion 40 exists. The resistance value of the skyrmion detecting element 15 is determined by the probability of the tunnel current of electrons in the nonmagnetic thin film 151 depending on the direction of the magnetic moment between the magnetic substance 11 and the magnetic metal 152 that has become a ferromagnetic phase. The high resistance (H) and the low resistance (L) of the skyrmion detection element 15 correspond to the presence or absence of the skyrmion 40, and correspond to information “1” and “0” stored in the information memory cell.
磁場発生部２０は、磁場Ｈを発生し、磁性体１１の裏面から表面の方向に、磁性体１１と垂直に印加する。磁性体１１の裏面とは、磁性体１１の磁場発生部２０側の面を指す。なお、本実施形態においては磁場発生部２０を１つのみ用いる。しかしながら、磁場発生部２０が、磁性体１１に対して垂直に磁場を印加できるものであれば、複数の磁場発生部２０を用いてよい。磁場発生部２０の数や配置は、これに限定しない。 The magnetic field generation unit 20 generates a magnetic field H and applies the magnetic field H in a direction from the back surface to the front surface of the magnetic body 11 and perpendicular to the magnetic body 11. The back surface of the magnetic body 11 refers to the surface of the magnetic body 11 on the side of the magnetic field generation unit 20. In the present embodiment, only one magnetic field generator 20 is used. However, a plurality of magnetic field generators 20 may be used as long as the magnetic field generator 20 can apply a magnetic field perpendicular to the magnetic body 11. The number and arrangement of the magnetic field generators 20 are not limited to this.
測定部３０は、測定用電源３１および電流計３２を備える。測定用電源３１は、磁性体１１とスキルミオン検出素子１５との間に設ける。電流計３２は、測定用電源３１から流れる測定用の電流を計測する。例えば、電流計３２は、測定用電源３１とスキルミオン検出素子１５との間に設ける。測定部３０は、感度の高いスキルミオン検出素子１５を用いることにより、少ない電力でスキルミオン４０の有無を検出できる。 The measurement unit 30 includes a measurement power supply 31 and an ammeter 32. The measurement power supply 31 is provided between the magnetic body 11 and the skyrmion detection element 15. The ammeter 32 measures a measuring current flowing from the measuring power supply 31. For example, the ammeter 32 is provided between the power supply 31 for measurement and the skyrmion detection element 15. The measurement unit 30 can detect the presence or absence of the skyrmion 40 with low power by using the skyrmion detection element 15 having high sensitivity.
コイル電流用電源５０は、電流経路１２に接続し、矢印Ｃで示した向きに電流を流す。電流経路１２に流れる電流は、電流経路１２に囲まれた領域において、磁性体１１の表面から裏面に向けて磁場を発生させる。電流経路１２に流れる電流が誘起する磁場の向きは、磁場発生部２０からの一様磁場Ｈの向きとは逆向きであるので、コイル領域ＡＣにおいて、磁性体１１の裏面から表面の向きに弱めた磁場Ｈａが発生する。この結果、コイル領域ＡＣにスキルミオン４０を生成することが可能となる。なお、スキルミオン４０を消去する場合、コイル電流用電源５０は、スキルミオン４０を生成する場合と逆向きにコイル電流を流してもよい。また、コイル電流用電源５０は、電流経路１２を複数設ける場合、電流経路１２の数に応じて複数設けてもよい。次に、カイラル磁性体中でのスキルミオン４０の生成を詳細に実施例で実証する。The coil current power supply 50 is connected to the current path 12 and allows current to flow in the direction shown by the arrow C. The current flowing through the current path 12 generates a magnetic field from the front surface to the back surface of the magnetic body 11 in a region surrounded by the current path 12. Orientation of the magnetic field current flowing through the current path 12 is induced, because of the orientation of the uniform magnetic field H from the magnetic field generating unit 20 are opposite, in the coil area A C, in the direction of the surface from the back surface of the magnetic body 11 A weak magnetic field Ha is generated. As a result, it is possible to generate a skills Mion 40 to the coil area A C. When the skyrmion 40 is erased, the coil current power supply 50 may flow the coil current in the opposite direction to the case where the skyrmion 40 is generated. When a plurality of current paths 12 are provided, a plurality of coil current power supplies 50 may be provided according to the number of current paths 12. Next, generation of the skyrmion 40 in the chiral magnetic material is demonstrated in detail in Examples.
［実施例１］
実施例１において、スキルミオン４０を生成する場合のシミュレーション実験結果を示す。下記の［数３］および［数４］は、スキルミオン４０の運動を記述する。[Example 1]
A simulation experiment result in the case where the skyrmion 40 is generated in the first embodiment will be described. The following [Equation 3] and [Equation 4] describe the movement of the skyrmion 40.
ここで、Ｂｒ ｅｆｆ=−(１/（ｈΓ）)（∂Ｈ/∂Ｍｒ）により、［数３］と［数４］とを関連付ける。Ｊは材料固有の常数で交換相互作用エネルギーである。Γ＝ｇμＢ/ｈ(＞０)は磁気回転比である。ｈはプランク定数である。Ｍｒは大きさＭの磁気モーメントを示し、Ｍｒ=Ｍ・ｎ（ｒ）である。ｎ（ｒ）は［数２］で示した。上記［数３］および[数４］中、×は外積を示す。 Here, B r eff = - by (1 / (hΓ)) ( ∂H / ∂M r), correlating the [Expression 3] and [Expression 4]. J is a material-specific constant and is the exchange interaction energy. Γ = gμ B / h (> 0) is the gyromagnetic ratio. h is Planck's constant. M r indicates a magnetic moment of magnitude M, and M r = M · n (r). n (r) is represented by [Equation 2]. In the above [Equation 3] and [Equation 4], x indicates a cross product.
［数４］で示したＨなるハミルトニアンは、カイラル磁性体の場合についてのものである。ダイポール磁性体、フラストレート磁性体および磁性材料と非磁性材料との積層構造からなる磁性体に関してはこのＨの表現をそれぞれの磁性体を記述するものに置換すればよい。 The Hamiltonian of H shown in [Equation 4] is for the case of a chiral magnetic material. For a dipole magnetic material, a frustrated magnetic material, and a magnetic material having a laminated structure of a magnetic material and a non-magnetic material, the expression of H may be replaced with a description of each magnetic material.
なお、ダイポール磁性体は、磁気双極子相互作用が重要な磁性体である。また、フラストレート磁性体は、磁気不整合状態を好む磁気的相互作用の空間構造を含む磁性体である。磁性材料と非磁性材料との積層構造を有する磁性体は、磁性材料の非磁性材料に接する磁気モーメントを非磁性材料のスピン軌道相互作用により変調した磁性体である。 The dipole magnetic material is a magnetic material in which magnetic dipole interaction is important. Further, the frustrated magnetic body is a magnetic body including a spatial structure of magnetic interaction that favors a magnetic mismatch state. A magnetic material having a laminated structure of a magnetic material and a nonmagnetic material is a magnetic material in which a magnetic moment in contact with the nonmagnetic material of the magnetic material is modulated by spin orbit interaction of the nonmagnetic material.
図４は、カイラル磁性体磁性相の磁場依存性を示した模式図である。本実施例では、図４に示すＨｓｋおよびＨｆの条件でシミュレーション実験を行った。カイラル磁性体は、磁場ゼロの基底状態ではらせん磁性相である。磁場強度Ｈｓｋより大きい磁場の場合、らせん磁性相からスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）になる。また、カイラル磁性体は、さらに強い磁場強度Ｈｆ以上の磁場強度でスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）から強磁性相になる。 FIG. 4 is a schematic diagram showing the magnetic field dependence of the chiral magnetic material magnetic phase. In this example, a simulation experiment was performed under the conditions of Hsk and Hf shown in FIG. A chiral magnetic material is a helical magnetic phase in a ground state with no magnetic field. In the case of a magnetic field larger than the magnetic field strength Hsk, the phase changes from a spiral magnetic phase to a skyrmion crystal phase (SkX). In addition, the chiral magnetic material changes from a skyrmion crystal phase (SkX) to a ferromagnetic phase at a magnetic field strength higher than the stronger magnetic field strength Hf.
次に、この磁性体の磁気交換相互作用の大きさをＪとして、この量で規格した値で各種の物理量を記述する。この場合、低磁場ではらせん状の磁気モーメントの磁気構造をもつカイラル相から磁場強度Ｈｓｋ＝０．００７５Ｊで、スキルミオン結晶相になる。スキルミオン４０の直径λは、ＪとＤを用いて以下の［数５］のように表すことができる。 Next, assuming that the magnitude of the magnetic exchange interaction of this magnetic material is J, various physical quantities are described by values standardized by this quantity. In this case, at a low magnetic field, a chiral phase having a magnetic structure of a helical magnetic moment becomes a skyrmion crystal phase at a magnetic field strength Hsk of 0.0075 J. The diameter λ of the skyrmion 40 can be represented by the following [Equation 5] using J and D.
本実施例で用いるカイラル磁性体はＤ＝０．１８Ｊ、磁気モーメントＭ＝１、ギルバート緩和係数α＝０．０４である。本例ではＤ＝０．１８Ｊであるから、λ＝５０ａとなる。磁性体１１の格子定数ａ＝０．５ｎｍの場合、λ＝２５ｎｍのサイズである。さらに、本実施例で用いるカイラル磁性体では、磁場強度Ｈｆ＝０．０２５２Ｊでスキルミオン結晶相から強磁性相になる。 The chiral magnetic material used in this embodiment has D = 0.18 J, magnetic moment M = 1, and Gilbert relaxation coefficient α = 0.04. In this example, since D = 0.18J, λ = 50a. When the lattice constant a of the magnetic material 11 is 0.5 nm, the size is λ = 25 nm. Furthermore, in the chiral magnetic material used in the present embodiment, the skyrmion crystal phase changes to a ferromagnetic phase at a magnetic field strength Hf = 0.0252J.
図５は、シミュレーション実験でのコイル領域ＡＣの磁場Ｈａの時間変化を示す。まず、シミュレーション実験は、コイル領域ＡＣの磁場ＨａがＨｆより大きい磁場強度により強磁性相になっている状態から開始する。具体的には、磁場発生部２０から発生する磁場を下から上の向きに磁場強度Ｈ＝０．０３Ｊの大きさで印加する。この場合、カイラル磁性体はスキルミオン４０が存在しない強磁性体相である。電流経路１２にコイル電流を流さない場合は、磁場強度Ｈ＝０．０３Ｊを常に印加している。Figure 5 shows the time variation of the magnetic field Ha coil area A C of the simulation experiment. First, the simulation experiment starts from a state in which the magnetic field Ha coil region A C is in the ferromagnetic phase by Hf greater field strength. Specifically, a magnetic field generated from the magnetic field generating unit 20 is applied from the bottom to the top with a magnetic field strength H = 0.03J. In this case, the chiral magnetic body is a ferromagnetic phase in which the skyrmion 40 does not exist. When the coil current is not passed through the current path 12, the magnetic field intensity H = 0.03J is always applied.
次に、コイル用電源５０から電流経路１２にコイル電流を流し始める。このとき、コイル領域ＡＣの磁場Ｈａは、磁場発生部２０から発生する磁場とコイル電流によって発生した磁場との和である。コイル電流は、時間ｔ＝１０００（１／Ｊ）でコイル領域ＡＣでの磁場Ｈａが０．０１Ｊの大きさになるように磁場強度−０．０２Ｊを印加する。その後時間ｔ＝２０００（１／Ｊ）まで、Ｈａ＝０．０１Ｊの一定の磁場強度を保持する。時間ｔ＝３０００（１／Ｊ）でコイル電流の印加を停止すると、初期状態に戻り、Ｈａ＝０．０３Ｊとなる。Next, the coil current starts to flow from the coil power supply 50 to the current path 12. At this time, the magnetic field Ha coil area A C is the sum of the magnetic field generated by the magnetic field and the coil current generated by the magnetic field generating unit 20. Coil current, magnetic field Ha in the coil area A C at time t = 1000 (1 / J) applying a magnetic field intensity -0.02J so that the size of 0.01 J. Thereafter, a constant magnetic field strength of Ha = 0.01 J is maintained until time t = 2000 (1 / J). When the application of the coil current is stopped at time t = 3000 (1 / J), the state returns to the initial state, and Ha = 0.03J.
図６から図２２は、スキルミオン４０の生成に関するシミュレーション結果を示す。本例のシミュレーションは、図４および図５の説明において用いた条件および方程式を用いて実施する。図６から図１６の磁性体１１のサイズは、幅Ｗｍ＝１５０ａ、高さｈｍ＝１００ａである。スキルミオンの直径λは５０ａである。したがって磁性体の幅Ｗｍ＝３λ、高さｈｍ＝２λのサイズである。 6 to 22 show simulation results regarding generation of the skyrmion 40. FIG. The simulation of this example is performed using the conditions and equations used in the description of FIGS. The size of the magnetic body 11 in FIGS. 6 to 16 is such that the width Wm = 150a and the height hm = 100a. The diameter λ of the skyrmion is 50a. Therefore, the size of the magnetic body is Wm = 3λ and height hm = 2λ.
図６は、コイル領域ＡＣが四角形状となる場合のスキルミオン生成のシミュレーション結果を示す。スキルミオン検出素子１５等のセンサについては図示していない。コイル領域ＡＣの形状は、電流経路１２の形状に対応して形成する。図６の場合、電流経路１２を四角形状に形成することで、電流経路１２の形状に対応して形成するコイル領域ＡＣの形状も四角形状となる。コイル領域ＡＣにおける磁性体１１の幅Ｗｍに平行な向きの幅をＷＣ、コイル領域ＡＣにおける磁性体１１の幅Ｗｍに垂直な向きの高さをｈＣとする。本例のコイル領域ＡＣの幅ＷＣは、ＷＣ＝１００ａ＝２λとし、高さｈＣは、ｈＣ＝５０ａ＝λとした。図６は、コイル領域ＡＣの磁場Ｈａが、電流経路１２が発生した磁場により０．０３Ｊから０．０１Ｊに減少したときの磁性体１１の状態を示す。四角で囲まれたコイル領域ＡＣが磁性体１１の端部に接触していない場合、スキルミオン４０を生成しない。これは、磁性体１１の端部を含まないコイル領域ＡＣでは、磁気モーメントが一様にｚ軸方向を向いた安定状態にあることによる。そのため、コイル領域ＡＣの磁場Ｈａがスキルミオン結晶相になるＨａ＝Ｈｓｋ以下に減少してもスキルミオン４０が生成しない。本例の磁気素子１０は、強磁性体相を保持したままである。FIG. 6 shows a simulation result of skyrmion generation when the coil area AC has a square shape. Sensors such as the skyrmion detection element 15 are not shown. The shape of the coil region A C is formed corresponding to the shape of the current path 12. For Figure 6, by forming the current path 12 in a square shape, the shape of the coil region A C to form corresponding to the shape of the current path 12 becomes a quadrangular shape. Width W C width Wm parallel orientation of the magnetic body 11 in the coil area A C, the vertical orientation of the height to the width Wm of the magnetic body 11 in the coil area A C and h C. Width W C of the coil region A C of this example, the W C = 100a = 2λ, the height h C was set to h C = 50a = λ. 6, the magnetic field Ha coil region A C indicates a state of a magnetic material 11 when decreased from 0.03J to 0.01J by a magnetic field current path 12 has occurred. When the coil area A C surrounded by a square is not in contact with the end portion of the magnetic body 11 does not produce skyrmion 40. This is the coil area A C does not include the end of the magnetic body 11, due to the fact that in a stable state in which the magnetic moment is uniformly oriented in the z-axis direction. Therefore, no generated skyrmion 40 field Ha coil region A C even reduced below Ha = HSK become skyrmion crystal phase. The magnetic element 10 of the present example keeps the ferromagnetic phase.
図７は、コイル領域ＡＣが磁性体の高さと同一の高さの場合のミュレーション結果を示す。本例の磁性体１１には、コイル領域ＡＣが、磁性体１１の端部を含む端部領域Ａを形成する。本明細書において、端部領域Ａにおける磁性体１１の端部に平行な向きの幅をＷ、端部領域Ａにおける磁性体１１の端部に垂直な向きの高さをｈとする。端部領域Ａの幅Ｗおよび高さｈは、磁性体１１の端部に対して、略平行もしくは略垂直に形成してよい。本例の端部領域Ａの幅Ｗは、Ｗ＝１００ａ＝２λとし、高さｈは、ｈ＝１００ａ＝２λとした。Figure 7 shows the simulation results when the coil area A C of the height and the same height of the magnetic material. The magnetic body 11 of the present embodiment, the coil area A C forms an end region A including the end portion of the magnetic body 11. In this specification, the width of the end region A in the direction parallel to the end of the magnetic body 11 is W, and the height of the end region A in the direction perpendicular to the end of the magnetic body 11 is h. The width W and the height h of the end region A may be formed substantially parallel or substantially perpendicular to the end of the magnetic body 11. In this example, the width W of the end region A was W = 100a = 2λ, and the height h was h = 100a = 2λ.
端部領域Ａでは、電流経路１２から磁場を印加することによりスキルミオン４０を生成する。これにより、磁性体１１の端部を含むことがスキルミオン生成に欠かせない条件になっていることがわかる。図６を参照すると、磁性体１１の端部では、磁気モーメントがｚ軸方向と異なる方向を向いている。磁性体端部は暗部を形成している。これにより、端部を含まないコイル領域ＡＣと比較して、端部領域Ａでは、電流経路１２から印加するｚ軸方向の磁場により、スキルミオン４０を生成しやすくなる。この結果、図７のように、磁性体端部と電流経路１２との交差する部位から流れてくるように、スキルミオン４０を生成する。In the end region A, a skyrmion 40 is generated by applying a magnetic field from the current path 12. Thus, it is understood that the inclusion of the end portion of the magnetic body 11 is an essential condition for the generation of skyrmions. Referring to FIG. 6, at the end of the magnetic body 11, the magnetic moment is directed in a direction different from the z-axis direction. The end of the magnetic body forms a dark part. Thus, as compared with the coil area A C without the end, in the end region A, the magnetic field in the z-axis direction is applied from the current path 12, it becomes easy to generate skyrmion 40. As a result, the skyrmion 40 is generated so as to flow from a portion where the end of the magnetic body and the current path 12 intersect as shown in FIG.
一方、ひとたびスキルミオン４０を一様な磁気モーメント状態に形成すると、スキルミオン４０は安定に存在する。一様な磁気モーメントをもつ強磁性状態とスキルミオン４０とのトポロジー状態との間には、エネルギー的に大きな壁が存在するからである。これは、情報を担うキャリアとしてのスキルミオン４０の安定性を保証する重要な特徴である。 On the other hand, once the skyrmion 40 is formed into a uniform magnetic moment state, the skyrmion 40 exists stably. This is because there is an energetically large wall between the ferromagnetic state having a uniform magnetic moment and the topology state of the skyrmion 40. This is an important feature that guarantees the stability of the Skyrmion 40 as a carrier that carries information.
また、図７からは、端部領域Ａの端部の延展方向の長さである幅Ｗが磁性体１１の上下の端部を含むと複数のスキルミオン４０を生成してしまうことが分かる。メモリとして磁気素子１０を用いる場合、スキルミオン４０を所定の領域内に１個のみ生成することが望ましい。 FIG. 7 shows that a plurality of skyrmions 40 are generated when the width W, which is the length of the end of the end region A in the extending direction, includes the upper and lower ends of the magnetic body 11. When the magnetic element 10 is used as a memory, it is desirable to generate only one skyrmion 40 in a predetermined area.
図８は、スキルミオン生成のミュレーション結果を示す。本例の端部領域Ａは、磁性体１１の端部の下辺のみを含み、幅ＷはＷ＝２λであり、高さｈは磁性体１１の高さの半分（ｈ＝ｈｍ／２＝λ）である。これにより、スキルミオン４０は、磁性体１１の左端に２個、中央に１個、生成する。スキルミオン４０の生成には磁性体１１の端部を少なくとも一辺含めばよい。 FIG. 8 shows a simulation result of skyrmion generation. The end region A of this example includes only the lower side of the end of the magnetic body 11, the width W is W = 2λ, and the height h is half the height of the magnetic body 11 (h = hm / 2 = λ). ). Thus, two skyrmions 40 are generated at the left end of the magnetic body 11 and one at the center. The skyrmion 40 may be generated by including at least one end of the magnetic body 11.
図９から図１３は、端部領域Ａの幅を変化させた場合のスキルミオン４０の生成を示すシミュレーション結果である。スキルミオン生成について、端部領域Ａの高さｈを磁性体１１の高さの半分（λ）に固定して、幅Ｗを変化させることで、スキルミオン生成の幅Ｗへの依存性を調べたものである。図９から図１３へと、順次、端部領域Ａの幅Ｗを狭めている。 9 to 13 are simulation results showing the generation of the skyrmion 40 when the width of the end region A is changed. Regarding the skyrmion generation, by fixing the height h of the end region A to half (λ) of the height of the magnetic body 11 and changing the width W, the dependence of the skyrmion generation on the width W is examined. It is something. From FIG. 9 to FIG. 13, the width W of the end region A is sequentially reduced.
図９は、端部領域Ａの幅Ｗが、Ｗ＝５０ａ=λの場合のシミュレーション結果を示す。図１０は、端部領域Ａの幅Ｗが、Ｗ＝４０ａ=４／５λの場合のシミュレーション結果を示す。図１１は、端部領域Ａの幅Ｗ＝３０ａ＝３／５λの場合のシミュレーション結果を示す。図１２は、端部領域Ａの幅Ｗ＝２０ａ＝２／５λの場合のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの結果、図９と図１０とでは２個のスキルミオン４０を生成する。図１１と図１２とではスキルミオン４０が１個のみ存在する。Ｗ＝３／５λ〜２／５λの幅がスキルミオン１個生成できる条件である。 FIG. 9 shows a simulation result when the width W of the end region A is W = 50a = λ. FIG. 10 shows a simulation result when the width W of the end region A is W = 40a = 4 / 5λ. FIG. 11 shows a simulation result in the case where the width W of the end region A is 30a = 3 / 5λ. FIG. 12 shows a simulation result in the case where the width W of the end region A is 20a = 2 / 5λ. As a result of the simulation, two skyrmions 40 are generated in FIGS. 9 and 10. 11 and 12, only one skyrmion 40 exists. A width of W = 3 / 5λ to 2 / 5λ is a condition under which one skyrmion can be generated.
図１３は、端部領域Ａの高さｈが磁性体１１の高さの半分（ｈ＝ｈｍ／２）で、さらに狭い幅Ｗ＝λ／５の場合には、もはやスキルミオン４０を生成しない。 FIG. 13 shows that when the height h of the end region A is half of the height of the magnetic body 11 (h = hm / 2) and the width W is smaller, W = λ / 5, the skyrmion 40 is no longer generated. .
図１４は非磁性体である切欠部１３の有る場合のシミュレーション結果を示す。これにより、スキルミオン４０を生成できる。つまり、端部領域Ａの高さｈが磁性体１１の高さの半分（ｈ＝ｈｍ／２＝λ）で、幅Ｗがλ／５であっても、磁性体１１の端部に切欠部１３を備えると、スキルミオン４０を生成できる。切欠部１３の底辺の長さＬｎ＝５０ａ=λ、高さｈｎ＝２５ａ=λ／２である。すなわち磁性体１１の切欠部１３は、スキルミオン４０の生成に効果的に働く。 FIG. 14 shows a simulation result in the case where there is a cutout 13 which is a non-magnetic material. Thereby, the skyrmion 40 can be generated. That is, even if the height h of the end region A is half the height of the magnetic body 11 (h = hm / 2 = λ) and the width W is λ / 5, the notch is formed at the end of the magnetic body 11. When 13 is provided, skyrmion 40 can be generated. The length Ln = 50a = λ of the base of the notch 13 and the height hn = 25a = λ / 2. That is, the cutout portion 13 of the magnetic body 11 effectively works to generate the skyrmion 40.
図１５および図１６は、端部領域Ａの高さｈが、スキルミオン４０の生成に及ぼす影響について比較するための図である。図１５および図１６は、いずれも端部領域Ａの幅Ｗ＝２０ａ＝λ・２／５の場合のシミュレーション結果である。 15 and 16 are diagrams for comparing the effect of the height h of the end region A on the generation of the skyrmion 40. FIG. FIGS. 15 and 16 show simulation results in the case where the width W of the end region A is W = 20a = λ · 2/5.
図１５は、端部領域Ａの高さが２λ＞ｈ＞λ／２の場合で、高さｈ＝３０ａ=λ・３／５のシミュレーション結果を示す。図１５のように、端部領域Ａの高さが２λ＞ｈ＞λ／２の範囲であればスキルミオン４０を１個生成する。 FIG. 15 shows a simulation result when the height of the end region A is 2λ> h> λ / 2 and the height h = 30a = λ · 3/5. As shown in FIG. 15, if the height of the end region A is in the range of 2λ> h> λ / 2, one skyrmion 40 is generated.
図１６は、端部領域Ａの高さがｈ＜λ／２の場合で、高さｈ＝２０ａ=λ・２／５のシミュレーション結果を示す。本例では、端部領域Ａの高さｈを図１５の実施例よりもさらに低くしている。図１６のように、端部領域Ａの高さがｈ＜λ／２の範囲では、スキルミオン４０を生成することができない。 FIG. 16 shows a simulation result when the height of the end region A is h <λ / 2 and the height h = 20a = λ · 2/5. In this example, the height h of the end region A is further lower than that of the embodiment of FIG. As shown in FIG. 16, when the height of the end region A is in the range of h <λ / 2, the skyrmion 40 cannot be generated.
図１７から図２２は、スキルミオン４０を生成する場合のミュレーション結果を示す。本例では、磁性体１１の幅および高さは、Ｗｍ＝ｈｍ＝５０ａ＝λの正方形とした。端部領域Ａの幅Ｗは、Ｗ＝２０ａ＝λ・２／５とし、高さｈは、ｈ＝３０ａ＝λ・３／５とした。 FIGS. 17 to 22 show the simulation results when the skyrmion 40 is generated. In this example, the width and height of the magnetic body 11 are squares of Wm = hm = 50a = λ. The width W of the end region A was W = 20a = λ · 2/5, and the height h was h = 30a = λ · 3/5.
図１７は、時間ｔ＝９５０（１／Ｊ）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝９５０（１／Ｊ）では、スキルミオン４０を磁性体１１の端部から生成しようとしている。磁性体１１の端部の磁気モーメントは、磁性体１１に垂直な方向に対して傾きを有する。よって、磁性体１１の端部は、スキルミオン４０の生成の起点となる。 FIG. 17 shows a simulation result at time t = 950 (1 / J). At time t = 950 (1 / J), skyrmion 40 is about to be generated from the end of magnetic body 11. The magnetic moment at the end of the magnetic body 11 has an inclination with respect to a direction perpendicular to the magnetic body 11. Therefore, the end of the magnetic body 11 is a starting point of the generation of the skyrmion 40.
図１８は、時間ｔ＝１２２０（１／Ｊ）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝１２２０（１／Ｊ）では、磁性体１１の端部と電流経路との交差部位付近からスキルミオン４０を生成する。 FIG. 18 shows a simulation result at time t = 1220 (1 / J). At time t = 1220 (1 / J), skyrmions 40 are generated from the vicinity of the intersection between the end of the magnetic body 11 and the current path.
図１９は、時間ｔ＝１４８０（１／Ｊ）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝１４８０（１／Ｊ）では、スキルミオン４０が磁性体１１の中心部へ流れるように動く。 FIG. 19 shows a simulation result at time t = 1480 (1 / J). At time t = 1480 (1 / J), skyrmion 40 moves so as to flow to the center of magnetic body 11.
図２０は、時間ｔ＝２０２０（１／Ｊ）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝２０２０（１／Ｊ）では、スキルミオン４０が磁性体１１の中心部において、安定化しようとする。本例において、スキルミオン４０が安定化しようとする場合の形状は楕円である。楕円とは、略楕円の形状であってよく、スキルミオン４０が安定化するまでの過渡的な形状の一例である。 FIG. 20 shows a simulation result at time t = 2020 (1 / J). At time t = 2020 (1 / J), the skyrmion 40 tries to stabilize at the center of the magnetic body 11. In this example, the shape when the skyrmion 40 is about to be stabilized is an ellipse. The ellipse may have a substantially elliptical shape, and is an example of a transitional shape until the skyrmion 40 is stabilized.
図２１は、時間ｔ＝２５２０（１／J）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝２５２０（１／J）においても、スキルミオン４０が磁性体１１の中心部において、安定化しようとする。本例においても、スキルミオン４０が安定化しようとする場合の形状は楕円である。 FIG. 21 shows a simulation result at time t = 2520 (1 / J). Even at time t = 2520 (1 / J), the skyrmion 40 tries to stabilize at the center of the magnetic body 11. Also in this example, the shape when the skyrmion 40 is about to be stabilized is an ellipse.
図２２は、時間ｔ＝３２６０（１／Ｊ）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝３２６０（１／Ｊ）では、スキルミオン４０が磁性体１１の中心部で安定化している。局所磁場の印加時間幅（パルス幅）Ｔが３０００（１／Ｊ）以上であれば、スキルミオン４０を形成する。 FIG. 22 shows a simulation result at a time t = 3260 (1 / J). At time t = 3260 (1 / J), skyrmion 40 is stabilized at the center of magnetic body 11. If the application time width (pulse width) T of the local magnetic field is 3000 (1 / J) or more, the skyrmion 40 is formed.
実施例１のシミュレーション実験から以下のことが判明した。
（１）端部領域Ａの左右の幅Ｗは下記の範囲が最適である。
λ≧Ｗ＞λ／４
（２）端部領域Ａの高さｈは下記の範囲が最適である。
２λ＞ｈ＞λ／２
（３）端部領域Ａに非磁性体よりなる切欠部１３を設置するとＷ≦λ／４の範囲でもスキルミオンを生成できる。The following has been found from the simulation experiment of the first embodiment.
(1) The following ranges are optimal for the left and right widths W of the end region A.
λ ≧ W> λ / 4
(2) The following range is optimal for the height h of the end region A.
2λ>h> λ / 2
(3) If the notch 13 made of a nonmagnetic material is provided in the end region A, skyrmions can be generated even in the range of W ≦ λ / 4.
（４）単一のスキルミオン４０を生成するために必要な端部領域Ａの磁場Ｈａは、Ｈａ＜０．０１５Ｊである。
（５）局所磁場の印加時間幅（パルス幅）Ｔは３０００（１／Ｊ）以上あればスキルミオン４０を形成できる。それより長い時間でも単一のスキルミオン４０が生成した状態を維持することができ、複数個のスキルミオン４０が生成することはない。(4) The magnetic field Ha of the end region A required to generate a single skyrmion 40 is Ha <0.015J.
(5) The skyrmion 40 can be formed if the local magnetic field application time width (pulse width) T is 3000 (1 / J) or more. The state in which a single skyrmion 40 is generated can be maintained for a longer time, and a plurality of skyrmions 40 are not generated.
［実施例２］
実施例２において、スキルミオン４０を消去する場合のシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０の消去は、基本的にスキルミオン４０の生成の場合と同様の考え方で理解できる。例えば、スキルミオン４０を消去する場合の運動は、［数３］および［数４］に示した方程式で、スキルミオン４０の生成の場合と同様に記述できる。本実施例の磁性体１１は、実施例１と同じカイラル磁性体である。図４は、カイラル磁性体の磁気相図を与える。本例では、磁性体１１の幅および高さは、Ｗｍ＝ｈｍ＝５０ａ＝λの正方形とした。端部領域Ａの幅Ｗは、Ｗ＝２０ａ＝λ・２／５とし、高さｈは、ｈ＝３０ａ＝λ・３／５とした。[Example 2]
A simulation result in the case where the skyrmion 40 is erased in the second embodiment is shown. The erasure of the skyrmion 40 can be understood basically in the same way as the generation of the skyrmion 40. For example, the motion when erasing the skyrmion 40 can be described by the equations shown in [Equation 3] and [Equation 4] in the same manner as in the case where the skyrmion 40 is generated. The magnetic body 11 of the present embodiment is the same chiral magnetic body as in the first embodiment. FIG. 4 gives the magnetic phase diagram of the chiral magnet. In this example, the width and height of the magnetic body 11 are squares of Wm = hm = 50a = λ. The width W of the end region A was W = 20a = λ · 2/5, and the height h was h = 30a = λ · 3/5.
図２３は、スキルミオン４０を消去する場合の端部領域Ａの磁場Ｈａの状態を示す。また、図２４から図２６は、磁性体１１に生成したスキルミオン４０を消去する様子を示す。図２４は、スキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果である。図２５は、スキルミオン４０を消去する途中の状態のシミュレーション結果である。図２６は、スキルミオン４０を消去した状態のシミュレーション結果である。 FIG. 23 shows the state of the magnetic field Ha in the end region A when the skyrmion 40 is erased. FIGS. 24 to 26 show how the skyrmion 40 generated in the magnetic body 11 is erased. FIG. 24 shows a simulation result in a state where the skyrmion 40 is generated. FIG. 25 shows a simulation result of a state in which the skyrmion 40 is being erased. FIG. 26 shows a simulation result in a state where the skyrmion 40 is deleted.
時間ｔ＝０、磁場Ｈ＝０．０３Ｊにおいてカイラル磁性体は強磁性相である。時間ｔ＝３０００（１／Ｊ）までの生成パルスにより端部領域Ａに生じる磁場Ｈａで、スキルミオン４０を生成する。このとき、図２４に示すように、スキルミオン４０を１個生成する。本例の生成条件は、実施例１で説明した条件と同一である。 At time t = 0 and magnetic field H = 0.03 J, the chiral magnetic material is in a ferromagnetic phase. The skyrmion 40 is generated by the magnetic field Ha generated in the end region A by the generated pulse until time t = 3000 (1 / J). At this time, one skyrmion 40 is generated as shown in FIG. The generation conditions of this example are the same as the conditions described in the first embodiment.
次に、スキルミオン４０を消去する為に端部領域Ａの磁場Ｈａを強くする。時間ｔ＝５０００（１／Ｊ）から８０００（１／Ｊ）の間、コイル電流パルスで端部領域Ａでの磁場強度はＨａ＝０．０５Ｊの磁場強度にする。この間、図２５に示すように端部領域Ａの左端にスキルミオン４０が動き、さらに磁性体１１の下部に移動する。 Next, the magnetic field Ha in the end region A is increased in order to erase the skyrmion 40. From time t = 5000 (1 / J) to 8000 (1 / J), the magnetic field strength in the end region A is set to Ha = 0.05 J by the coil current pulse. During this time, the skyrmion 40 moves to the left end of the end region A as shown in FIG.
その後、Ｈａ＝０．０３Ｊとして、図２６に示す初期状態に戻し、スキルミオン４０の消去が完了する。消去用磁場パルスの印加時間は３０００（１／Ｊ）である。この時の追加磁場強度は＋０．０２Ｊである。追加磁場強度とは、初期状態の磁場Ｈａ＝０．０３Ｊに対する磁場強度の差分である。本明細書において、生成用の追加磁場強度を生成パルスＨａ１、消去用の追加磁場強度を消去パルスＨａ２と称する。本例の生成パルスＨａ１と、消去パルスＨａ２とは、正負反転した量である。すなわち、磁気素子１０は、同じ電流強度のコイル電流を、電流経路１２に流す向きを変更することにより、スキルミオン４０の生成および消去ができる。 Thereafter, Ha is set to 0.03 J, and the state is returned to the initial state shown in FIG. The application time of the erasing magnetic field pulse is 3000 (1 / J). The additional magnetic field strength at this time is + 0.02J. The additional magnetic field strength is a difference of the magnetic field strength with respect to the magnetic field Ha = 0.03 J in the initial state. In this specification, the additional magnetic field strength for generation is referred to as a generation pulse Ha1, and the additional magnetic field strength for erasure is referred to as an erasing pulse Ha2. The generation pulse Ha1 and the erasing pulse Ha2 in this example are the amounts of positive and negative inversion. That is, the magnetic element 10 can generate and erase the skyrmion 40 by changing the direction in which the coil current having the same current intensity flows in the current path 12.
上述したように、一度生成したスキルミオン４０を端部領域Ａの磁場Ｈａの増大によって消去できる。この時の消去に必要な条件は以下の通りである。 As described above, the skyrmion 40 once generated can be erased by increasing the magnetic field Ha in the end region A. The conditions required for erasing at this time are as follows.
（６）磁性体１１の幅Ｗｍはスキルミオン４０の直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
Ｗｍが小さすぎるとスキルミオン４０を生成できない。
Ｗｍが大きすぎるとスキルミオンを消去できない。Ｗｍはスキルミオン４０の直径λ程度がよい。(6) The width Wm of the magnetic body 11 is set in the following range with respect to the diameter λ of the skyrmion 40.
2λ>Wm> λ / 2
If Wm is too small, skyrmion 40 cannot be generated.
If Wm is too large, skyrmions cannot be eliminated. Wm is preferably about the diameter λ of the skyrmion 40.
（７）磁性体１１の高さｈｍはスキルミオン４０の直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞ｈｍ＞λ／２
磁性体１１の高さｈｍが大きすぎるとスキルミオン４０の消去時にスキルミオン４０が電流経路１２から逃げ出すので消去できない。
（８）端部領域Ａの幅Ｗは（１）に従う。すなわち、λ≧Ｗ＞λ／４である。
（９）端部領域Ａの高さｈの条件は（２）に従う。すなわち、２λ＞ｈ＞λ／２である。ここではλ・３／５の高さに設定した。
（１０）消去に必要な端部領域Ａの磁場ＨａはＨａ≧０．０４Ｊである。(7) The height hm of the magnetic body 11 is set in the following range with respect to the diameter λ of the skyrmion 40.
2λ>hm> λ / 2
If the height hm of the magnetic body 11 is too large, the skyrmion 40 escapes from the current path 12 when the skyrmion 40 is erased, and thus cannot be erased.
(8) The width W of the end region A conforms to (1). That is, λ ≧ W> λ / 4.
(9) The condition of the height h of the end region A follows (2). That is, 2λ>h> λ / 2. Here, the height was set to λ · 3/5.
(10) The magnetic field Ha of the end region A required for erasing is Ha ≧ 0.04J.
［実施例３］
実施例３において、スキルミオン４０を消去する場合のシミュレーション結果を示す。本実施例では、スキルミオン消去パルスＨａ２により生じる磁場の向きがスキルミオン生成パルスにより生じる磁場の向きと同じ向きである。磁性体１１のサイズは幅Ｗｍ＝ｈｍ＝６０ａ＝λ・６／５とした。コイル領域ＡＣは、磁性体１１の端部を含む端部領域Ａに設定している。端部領域Ａの幅Ｗは２０ａ＝λ・２／５とし、高さｈは２５ａ＝λ／２とした。スキルミオン４０の直径λは、５０ａである。[Example 3]
A simulation result in the case where the skyrmion 40 is erased in the third embodiment is shown. In this embodiment, the direction of the magnetic field generated by the skyrmion erasing pulse Ha2 is the same as the direction of the magnetic field generated by the skyrmion generation pulse. The size of the magnetic body 11 was set to a width Wm = hm = 60a = λ · 6/5. The coil area AC is set in an end area A including the end of the magnetic body 11. The width W of the end region A was set to 20a = λ · ２, and the height h was set to 25a = λ / 2. The diameter λ of the skyrmion 40 is 50a.
電流経路１２は、磁性体１１の下辺の中央より左側に偏った位置に形成している。端部領域Ａの左端での磁性体１１との間隙ｄは、１０ａ＝λ／５とした。なお、本発明においては、電流経路１２は磁性体１１の下辺の中央よりも左右どちらかに偏った位置に形成していればよい。電流経路１２は、磁性体１１の右側に偏った位置であってもよい。端部領域Ａに含まれる磁性体１１の端部と隣接する他端部のうち最も近い他端部との間隙の幅として、間隙ｄを定義する。 The current path 12 is formed at a position deviated leftward from the center of the lower side of the magnetic body 11. The gap d with the magnetic body 11 at the left end of the end region A was set to 10a = λ / 5. In the present invention, the current path 12 may be formed at a position deviated to the left or right from the center of the lower side of the magnetic body 11. The current path 12 may be a position biased to the right of the magnetic body 11. The gap d is defined as the width of the gap between the end of the magnetic body 11 included in the end region A and the nearest other end of the adjacent other end.
図２７は、スキルミオン４０の生成と消去を行う際の端部領域Ａの磁場Ｈａと時間の関係を示す。電流経路１２に生成用のコイル電流パルスを印加し、次に消去用のコイル電流パルスを印加する。生成パルスＨａ１および消去パルスＨａ２を端部領域Ａにそれぞれ印加する。時間ｔ＝０（１／J）から時間ｔ＝３００００（１／J）までの間に、生成パルスＨａ１および消去パルスＨａ２をそれぞれ１回ずつ印加する。本例では、端部領域Ａを磁性体１１の左側に寄せてスキルミオン４０を消去する。消去パルスＨａ２は、生成パルスＨａ１と同じ向きであってよい。消去パルスＨａ２が強磁性相０．０３Ｊより小さい値０．０１５Ｊの場合、端部領域Ａを磁性体１１の左側に寄せれば、生成したスキルミオン４０を消去できる。但し、端部領域Ａを磁性体１１の左端に寄せすぎると、最初に生成パルスＨａ１を印加してもスキルミオン４０を生成できない。 FIG. 27 shows the relationship between the magnetic field Ha in the end region A and the time when the skyrmion 40 is generated and erased. A coil current pulse for generation is applied to the current path 12, and then a coil current pulse for erasure is applied. The generation pulse Ha1 and the erase pulse Ha2 are applied to the end region A, respectively. Between the time t = 0 (1 / J) and the time t = 30000 (1 / J), the generation pulse Ha1 and the erase pulse Ha2 are applied once each. In this example, the skyrmion 40 is erased by moving the end region A to the left side of the magnetic body 11. The erase pulse Ha2 may be in the same direction as the generated pulse Ha1. When the erasing pulse Ha2 has a value of 0.015J which is smaller than 0.03J of the ferromagnetic phase, the generated skyrmion 40 can be erased by moving the end region A to the left side of the magnetic body 11. However, if the end region A is too close to the left end of the magnetic body 11, the skyrmion 40 cannot be generated even if the generation pulse Ha1 is applied first.
図２８は、時間ｔ＝１６０００（１／J）でのスキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝１６０００（１／J）では、生成したスキルミオン４０が安定して存在する。 FIG. 28 shows a simulation result of a state where the skyrmion 40 is generated at the time t = 16000 (1 / J). At time t = 16000 (1 / J), the generated skyrmion 40 is stably present.
図２９は、時間ｔ＝２６３００（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去し始める状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝２６３００（１／Ｊ）では、端部領域Ａに消去パルスＨａ２を印加して、スキルミオン４０には、電流経路１２から引き寄せる力Ｆが働くが、マグナス力のため、引き寄せる力Ｆに対して垂直に移動する。これにより、スキルミオン４０が端部領域Ａの右側に沿って移動する。 FIG. 29 shows a simulation result at a time t = 26300 (1 / J) in a state where erasing of the skyrmion 40 is started. At time t = 26300 (1 / J), the erasing pulse Ha2 is applied to the end region A, and the force F attracting from the current path 12 acts on the skyrmion 40, but the force F attracts due to the Magnus force. Move perpendicular to it. Accordingly, the skyrmion 40 moves along the right side of the end region A.
図３０は、時間ｔ＝２６８５０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去する状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝２６８５０（１／Ｊ）では、磁性体１１の端部においてスキルミオン４０を吸収する。 FIG. 30 shows a simulation result in a state where the skyrmion 40 is erased at a time t = 26850 (1 / J). At time t = 26850 (1 / J), the skyrmion 40 is absorbed at the end of the magnetic body 11.
本実施例３の磁性体１１の幅Ｗｍ及び高さｈｍは、スキルミオン４０の直径λより大きくとる必要がある。本実施例では、磁性体１１の幅Ｗｍおよび高さｈｍを６０ａとしている。これは、生成したスキルミオン４０が磁性体１１の中心に移動する為の空間を確保するためである。なお、端部領域Ａを、磁性体１１の右側に寄せれば、スキルミオン４０は、端部領域Ａの上部から右側に沿って流れる。磁性体１１の右側の端部は、スキルミオン４０を吸収して消去する。 The width Wm and the height hm of the magnetic body 11 of the third embodiment need to be larger than the diameter λ of the skyrmion 40. In this embodiment, the width Wm and the height hm of the magnetic body 11 are set to 60a. This is to secure a space for the generated skyrmion 40 to move to the center of the magnetic body 11. If the end region A is moved to the right side of the magnetic body 11, the skyrmion 40 flows from above the end region A to the right. The right end of the magnetic body 11 absorbs and erases the skyrmion 40.
実施例３におけるスキルミオン４０の消去に必要な条件は以下の通りである。
（１１）スキルミオン４０の消去パルスＨａ２が生成パルスＨａ１と向きが同じ場合、磁性体１１の幅Ｗｍはスキルミオン４０の直径λに対して、
２λ＞Ｗｍ＞λ
である。磁性体１１の高さｈｍも同様に、
２λ＞ｈｍ＞λ
である。The conditions required for erasing the skyrmion 40 in the third embodiment are as follows.
(11) When the erase pulse Ha2 of the skyrmion 40 has the same direction as the generated pulse Ha1, the width Wm of the magnetic body 11 is smaller than the diameter λ of the skyrmion 40.
2λ>Wm> λ
It is. Similarly, the height hm of the magnetic body 11 is
2λ>hm> λ
It is.
（１２）スキルミオン消去パルスＨａ２の向きと生成パルスＨａ１の向きが同じ場合、端部領域Ａの幅Ｗは０．４λである。高さｈはλ／２である。端部領域Ａの左端での磁性体１１との間隙ｄは、０．４λ＞ｄ≧λ／５である。なお、ｄが０．２λよりも小さいと、生成パルスＨａ１でスキルミオン４０を生成することができない。 (12) When the direction of the skyrmion erase pulse Ha2 is the same as the direction of the generated pulse Ha1, the width W of the end region A is 0.4λ. The height h is λ / 2. The gap d with the magnetic body 11 at the left end of the end region A is 0.4λ> d ≧ λ / 5. If d is smaller than 0.2λ, the skyrmion 40 cannot be generated by the generated pulse Ha1.
（１３）スキルミオン生成の端部領域Ａの磁場強度Ｈａは上の生成条件（４）に従う。すなわち、Ｈａ＜０．０１５Ｊである。 (13) The magnetic field strength Ha in the end region A of skyrmion generation obeys the above generation condition (4). That is, Ha <0.015J.
（１４）消去パルスＨａ２の端部領域Ａの磁場強度Ｈａは、Ｈａ＜０．０２Ｊである。 (14) The magnetic field strength Ha of the end region A of the erase pulse Ha2 is Ha <0.02J.
［実施例４］
実施例４において、端部領域Ａが生成用端部領域Ａ１と消去用端部領域Ａ２の二つの領域となる場合のスキルミオン消去のシミュレーション結果を示す。磁性体１１のサイズは、幅Ｗｍ＝ｈｍ＝５０ａ＝λとした。生成用端部領域Ａ１の幅Ｗ１は、Ｗ１＝２０ａ＝λ・２／５である。生成用端部領域Ａ１の高さｈ１は、ｈ１＝３０ａ＝λ・３／５である。また、消去用端部領域Ａ２の幅Ｗ２は、Ｗ２＝２０ａ＝λ・２／５である。消去用端部領域Ａ２の高さｈ２は、Ｗ２に等しい。[Example 4]
In Example 4, simulation results of skyrmion erasure in the case where the end region A becomes two regions, the generation end region A1 and the erasing end region A2, are shown. The size of the magnetic body 11 was set to a width Wm = hm = 50a = λ. The width W1 of the generation end area A1 is W1 = 20a = λ · 2/5. The height h1 of the generation end area A1 is h1 = 30a = λ · 3/5. Further, the width W2 of the erasing end region A2 is W2 = 20a = λ · 2/5. The height h2 of the erasing end area A2 is equal to W2.
図３１は、スキルミオン４０の生成と消去を行う際の生成用端部領域Ａ１および消去用端部領域Ａ２の磁場Ｈａと時間の関係を示す。生成用の電流経路１２に生成用のコイル電流パルスを印加し、次に消去用の電流経路１２に消去用のコイル電流パルスを印加する。生成用端部領域Ａ１には、生成パルスＨａ１を、消去用端部領域Ａ２には、消去パルスＨａ２をそれぞれ印加する。本例の生成パルスＨａ１および消去パルスＨａ２は、同じ向きで同じ大きさである。生成用端部領域Ａ１は、生成パルスＨａ１により、磁場Ｈａが０．０１Ｊとなる。消去用端部領域Ａ２も、消去パルスＨａ２により、磁場Ｈａが０．０１Ｊとなる。これにより、スキルミオン４０の生成および消去が可能となる。本例では、時間ｔ＝０（１／J）から時間ｔ＝１００００（１／J）までの間に生成パルスＨａ１および消去パルスＨａ２をそれぞれ１回ずつ印加する。 FIG. 31 shows the relationship between the magnetic field Ha of the generation end region A1 and the erasing end region A2 and time when generating and erasing the skyrmion 40. A generating coil current pulse is applied to the generating current path 12, and then an erasing coil current pulse is applied to the erasing current path 12. The generation pulse Ha1 is applied to the generation end region A1, and the erasing pulse Ha2 is applied to the erasing end region A2. The generation pulse Ha1 and the erasing pulse Ha2 in this example have the same direction and the same magnitude. In the generation end area A1, the magnetic field Ha becomes 0.01 J by the generation pulse Ha1. The erasing end region A2 also has a magnetic field Ha of 0.01 J due to the erasing pulse Ha2. Thereby, generation and deletion of the skyrmion 40 can be performed. In this example, the generation pulse Ha1 and the erasing pulse Ha2 are applied once each from time t = 0 (1 / J) to time t = 10000 (1 / J).
図３２から図３４は、生成用端部領域Ａ１および消去用端部領域Ａ２を有する場合の、シミュレーション結果である。図３２は、時間ｔ＝４３８０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝４３８０（１／Ｊ）では、生成したスキルミオン４０が安定して存在する。 FIGS. 32 to 34 show the simulation results in the case of having the generation end area A1 and the erasing end area A2. FIG. 32 shows a simulation result in a state where the skyrmion 40 is generated at a time t = 4380 (1 / J). At time t = 4380 (1 / J), the generated skyrmion 40 is stably present.
図３３は、時間ｔ＝６０４０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去し始める状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝６０４０（１／Ｊ）では、消去用端部領域Ａ２に消去パルスＨａ２を印加して、スキルミオン４０には、電流経路１２から引き寄せる力Ｆが働くが、マグナス力のため、引き寄せる力Ｆに対して垂直に移動する。これにより、スキルミオン４０が消去用端部領域Ａ２の右側に沿って移動する。 FIG. 33 shows a simulation result at a time t = 6040 (1 / J) in a state where erasing of skyrmion 40 is started. At time t = 6040 (1 / J), an erasing pulse Ha2 is applied to the erasing end region A2, and a force F attracting from the current path 12 acts on the skyrmion 40. However, due to the Magnus force, the attracting force is applied. Move perpendicular to F. Thus, the skyrmion 40 moves along the right side of the erasing end area A2.
図３４は、時間ｔ＝６２２０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去する状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝６２２０（１／Ｊ）では、磁性体１１の端部がスキルミオン４０を吸収する。 FIG. 34 shows a simulation result in a state where the skyrmion 40 is erased at a time t = 6220 (1 / J). At time t = 6220 (1 / J), the end of the magnetic body 11 absorbs the skyrmion 40.
図３５は、スキルミオン４０の生成と消去を行う際の端部領域の磁場Ｈａと時間の関係を示す。本例の生成パルスＨａ１および消去パルスＨａ２は、向きが同じであるが、大きさが異なる。生成用端部領域Ａ１は、生成パルスＨａ１により、磁場Ｈａが０．０１Ｊとなる。消去用端部領域Ａ２は、消去パルスＨａ２により、磁場Ｈａが０．１５Ｊとなる。すなわち、消去用端部領域Ａ２の磁場ＨａがＨａ＜０．０２Ｊであれば消去可能である。 FIG. 35 shows the relationship between the magnetic field Ha in the end region and the time when the skyrmion 40 is generated and erased. The generation pulse Ha1 and the erasing pulse Ha2 in this example have the same direction but different magnitudes. In the generation end area A1, the magnetic field Ha becomes 0.01 J by the generation pulse Ha1. In the erasing end region A2, the magnetic field Ha becomes 0.15 J by the erasing pulse Ha2. That is, if the magnetic field Ha of the erasing end region A2 is Ha <0.02J, erasing is possible.
図３６は、時間ｔ＝２８８０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝２８８０（１／Ｊ）では、生成パルスにより生成したスキルミオン４０が安定して存在する状態である。 FIG. 36 shows a simulation result in a state where the skyrmion 40 is generated at time t = 2880 (1 / J). At time t = 2880 (1 / J), the skyrmion 40 generated by the generated pulse is in a stable state.
図３７は、時間ｔ＝６１６０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去し始める状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝６１６０（１／Ｊ）では、消去用端部領域Ａ２に消去パルスＨａ２を印加して、スキルミオン４０には、電流経路１２から引き寄せる力Ｆが働くが、マグナス力のため、引き寄せる力Ｆに対して垂直に移動する。これにより、スキルミオン４０が消去用端部領域Ａ２の右側に沿って移動する。 FIG. 37 shows a simulation result at a time t = 6160 (1 / J) in a state where erasing of skyrmion 40 is started. At time t = 6160 (1 / J), an erasing pulse Ha2 is applied to the erasing end region A2, and a force F attracting from the current path 12 acts on the skyrmion 40. However, due to the Magnus force, the attracting force is applied. Move perpendicular to F. Thus, the skyrmion 40 moves along the right side of the erasing end area A2.
図３８は、時間ｔ＝６４８０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去する状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝６４８０（１／Ｊ）では、磁性体１１の端部がスキルミオン４０を吸収する。 FIG. 38 shows a simulation result of a state where the skyrmion 40 is erased at a time t = 6480 (1 / J). At time t = 6480 (1 / J), the end of the magnetic body 11 absorbs the skyrmion 40.
例えば、生成パルスＨａ１によりスキルミオン４０が発生しない場合、その後の消去パルスＨａ２によりスキルミオン４０が生成することはない。消去用端部領域Ａ２の高さが小さいために、スキルミオン４０を生成することができないからである。 For example, when the skyrmion 40 is not generated by the generated pulse Ha1, the skyrmion 40 is not generated by the subsequent erase pulse Ha2. This is because the skyrmion 40 cannot be generated because the height of the erasing end region A2 is small.
電流経路１２は、生成用端部領域Ａ１および消去用端部領域Ａ２を規定する２つの異なる電流経路１２を有してよい。本例では、消去用端部領域Ａ２を、生成用端部領域Ａ１の内部に設ける。但し、消去用端部領域Ａ２は、生成したスキルミオン４０を消去できる位置であれば、生成用端部領域Ａ１の内部に限らない。また、磁性体１１の端部を含まない消去用のコイル領域ＡＣは、スキルミオン４０を消去する。The current path 12 may have two different current paths 12 that define a generation end area A1 and an erase end area A2. In this example, the erasing end area A2 is provided inside the generation end area A1. However, the erasing end region A2 is not limited to the inside of the generating end region A1 as long as the generated skyrmion 40 can be erased. The coil area A C of erasing not including the end of the magnetic body 11 erases the skyrmion 40.
上述した本実施例におけるスキルミオン４０の消去に必要な条件は以下の通りである。
（１５）生成用端部領域Ａ１と消去用端部領域Ａ２を設けた場合、生成パルスＨａ１と消去パルスＨａ２は同じ場合でもスキルミオン４０の生成および消去が可能である。
（１６）磁性体１１の幅Ｗｍはスキルミオン４０の直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
（１７）磁性体１１の高さｈｍはスキルミオン４０の直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞ｈｍ＞λ／２
磁性体１１の高さｈｍが大きすぎるとスキルミオン４０の消去時にスキルミオン４０が電流経路１２から逃げ出すので消去できない。The conditions necessary for erasing the skyrmion 40 in the above-described embodiment are as follows.
(15) When the generation end region A1 and the erasing end region A2 are provided, the skyrmion 40 can be generated and erased even when the generation pulse Ha1 and the erasing pulse Ha2 are the same.
(16) The width Wm of the magnetic body 11 is set in the following range with respect to the diameter λ of the skyrmion 40.
2λ>Wm> λ / 2
(17) The height hm of the magnetic body 11 is set in the following range with respect to the diameter λ of the skyrmion 40.
2λ>hm> λ / 2
If the height hm of the magnetic body 11 is too large, the skyrmion 40 escapes from the current path 12 when the skyrmion 40 is erased, and thus cannot be erased.
なお、図３５に示すように、消去パルスＨａ２は、生成パルスＨａ１よりも小さくてもよく、Ｈａ２＜０．０２Ｊの範囲で可能である。ただし、消去用端部領域Ａ２は、ｗ＝λ・２／５であり、ｗ＜λ・２／５ではスキルミオンは消去できない。 Note that, as shown in FIG. 35, the erase pulse Ha2 may be smaller than the generated pulse Ha1, and is possible in the range of Ha2 <0.02J. However, the end area A2 for erasure is w = λ · 2/5, and if w <λ · 2/5, the skyrmion cannot be erased.
このように、本実施例では、スキルミオン４０の生成と消去用にそれぞれ異なる２つの端部領域Ａ１およびＡ２を用いる場合においても、スキルミオン４０の生成と消去が可能であることを示した。 Thus, in the present embodiment, it has been shown that the skyrmion 40 can be generated and erased even when two different end regions A1 and A2 are used for generating and deleting the skyrmion 40, respectively.
上述した実施例１−４において、磁場印加によるスキルミオン４０の生成および消滅のためのシミュレーション実験を示した。そして、スキルミオン４０の生成および消滅のための設計ルールを（１）から（１７）の１７項目で明らかにした。 In the above-described Example 1-4, a simulation experiment for generating and extinguishing the skyrmion 40 by applying a magnetic field was described. Then, the design rules for generation and disappearance of the skyrmion 40 were clarified in 17 items (1) to (17).
この１７項目の基準は、スキルミオンメモリ素子を設計するための基本ルールを定めたものであり、極めて重要である。この設計ルールは、磁性体１１の磁性を特徴づける磁気交換相互作用Ｊと、生成するスキルミオンサイズλの二つの量で規格化した量として表現している。［数５］は、スキルミオン４０の直径λとジャロシンスキー・守谷相互作用Ｄとを関係づける。したがって、この基本ルールは各種のカイラル磁性体に適用可能な設計ルールとして表現しており、適用範囲は広い。 These 17 criteria set forth basic rules for designing a skyrmion memory element, and are extremely important. This design rule is expressed as a quantity standardized by two quantities of a magnetic exchange interaction J characterizing the magnetism of the magnetic body 11 and a generated skyrmion size λ. [Equation 5] relates the diameter λ of the skyrmion 40 to the Jaroshinsky-Moriya interaction D. Therefore, these basic rules are expressed as design rules applicable to various chiral magnetic materials, and the applicable range is wide.
図３９Ａから図３９Ｆに、電流経路１２の形状例を示す。図３９Ａは、図３等に示した例と同一である。図３９Ｂに示すように、電流経路１２は、三角形の端部領域を囲んでよい。図３９Ｃに示すように、電流経路１２は、楕円、円または長円の一部である端部領域を囲んでよい。図３９Ｄに示すように、電流経路１２は、平行四辺形の端部領域を囲んでよい。図３９Ｅに示すように、電流経路１２は、台形の端部領域を囲んでよい。図３９Ｆに示すように、円、四角形、三角形その他の図形を組み合わせた形状の端部領域を囲んでよい。 39A to 39F show examples of the shape of the current path 12. FIG. 39A is the same as the example shown in FIG. 3 and the like. As shown in FIG. 39B, the current path 12 may surround a triangular end region. As shown in FIG. 39C, current path 12 may surround an end region that is part of an ellipse, circle, or ellipse. As shown in FIG. 39D, the current path 12 may surround a parallelogram end region. As shown in FIG. 39E, the current path 12 may surround a trapezoidal end region. As shown in FIG. 39F, an end region of a shape obtained by combining a circle, a quadrangle, a triangle, and other figures may be surrounded.
図４０は電流経路１２が多層コイル状の場合を示している。多層コイル状の電流経路１２は、コイル電流誘起磁場強度を増加させるために有効な方法である。本発明における電流経路１２の形状は、これらの形状に限定するものではなく、類似の他の電流経路１２の形状を採用することができる。なお、ここに述べたカイラル磁性体での実施例での結論は定性的にはダイポール系磁性体でもフラストレート磁性体でも磁性体積層構造でも変更をきたさない。 FIG. 40 shows a case where the current path 12 has a multilayer coil shape. The multilayer coil current path 12 is an effective method for increasing the coil current induced magnetic field strength. The shape of the current path 12 in the present invention is not limited to these shapes, and another similar shape of the current path 12 can be adopted. It should be noted that the conclusion in the embodiment using the chiral magnetic material described above does not qualitatively change the dipole magnetic material, the frustrated magnetic material, or the magnetic material laminated structure.
スキルミオン４０は、直径が１〜５００ｎｍとナノスケールのサイズを有する極微細構造であり、膨大なビット情報を極細密化できる大容量記憶磁気素子として応用することができる。スキルミオンメモリ１００は電気的に書き込みと消去を行うことができる。書き込みと消去に要する時間は、ともに３０００（１／Ｊ）である。この所要時間は磁性材料特有のＪの大きさで決まる。カイラル磁性体の場合数ミリｅＶである。この場合３０００（１／Ｊ）は１ナノ秒程度に相当する。１ナノ秒程度の極短パルスで書き込み、消去ができ、なお且、不揮発メモリであることは驚愕すべき特徴である。この交換相互作用エネルギーＪが大きくなればスキルミオンの生成、消去時間はさらに高速化できる。 The skyrmion 40 is an ultrafine structure having a nanoscale size of 1 to 500 nm in diameter, and can be applied as a large-capacity storage magnetic element capable of miniaturizing enormous bit information. The skyrmion memory 100 can electrically perform writing and erasing. The time required for writing and erasing is both 3000 (1 / J). This required time is determined by the magnitude of J specific to the magnetic material. In the case of a chiral magnetic material, it is several millieV. In this case, 3000 (1 / J) corresponds to about 1 nanosecond. It is a surprising feature that writing and erasing can be performed with an extremely short pulse of about 1 nanosecond, and that it is a nonvolatile memory. If this exchange interaction energy J becomes large, the time for generating and erasing skyrmions can be further shortened.
スキルミオンメモリ１００は、電気による書き込み、消去を採用しているフラッシュメモリに対しても多くの優位な点を有する。フラッシュメモリの生成時間は数ｍｓｅｃであり、消去時間は２０μｓｅｃと長い。これに対してスキルミオンメモリ１００は、生成時間及び消去時間が１ｎｓｅｃで、フラッシュメモリに対して６桁から３桁以上も高速である。その速さは１０ｎｓｅｃ程度の電荷の生成時間及び消去時間が必要なＤＲＡＭメモリをも凌駕し、ＳＲＡＭ並の速さを実現する。スキルミオンメモリ１００は不揮発性メモリであることから、まさに究極のメモリとしての性能を有することとなる。 Skyrmion memory 100 also has many advantages over flash memories that employ electric writing and erasing. The generation time of the flash memory is several msec, and the erasing time is as long as 20 μsec. In contrast, the skyrmion memory 100 has a generation time and an erasing time of 1 nsec, and is six to three or more digits faster than a flash memory. The speed is faster than that of a DRAM memory that requires a charge generation time and an erasing time of about 10 nsec, and achieves a speed comparable to that of an SRAM. Since the skyrmion memory 100 is a non-volatile memory, it has exactly the performance as the ultimate memory.
スキルミオンメモリ１００は書き込み、消去を何度でも行うことが可能である。すなわち、書き込み、消去の回数の制限はなく、エンデユランス（耐久性）は無限大である。また、スキルミオン４０を、磁性体１１の表面だけではなく裏面まで同じ渦構造をもつ磁気モーメントとして生成する。これによりスキルミオン４０は、簡単には壊れない（消去しない）構造として安定に、尚且つ位置を移動することなく静止して存在することができる。スキルミオン４０は、人間生活での弱磁場環境では簡単に移動、及び消去しない。このようにスキルミオン４０は安定して存在するため、スキルミオンメモリ１００はデータリテンション（保持）性能を大幅に向上することができる。 In the skyrmion memory 100, writing and erasing can be performed any number of times. That is, the number of times of writing and erasing is not limited, and the endurance (durability) is infinite. In addition, the skyrmion 40 is generated as a magnetic moment having the same vortex structure not only on the front surface but also on the back surface of the magnetic body 11. Accordingly, the skyrmion 40 can be stably provided as a structure that is not easily broken (not erased), and can be stationary without moving its position. The skyrmion 40 does not easily move or erase in a weak magnetic field environment in human life. As described above, since the skyrmion 40 exists stably, the skyrmion memory 100 can significantly improve data retention (holding) performance.
図４１は、スキルミオンメモリ１００の実施形態の一例を示す。本例のスキルミオンメモリ１００は、スキルミオン検出素子１５を除き、図３の実施形態に係るスキルミオンメモリ１００と同様の構成を有する。本例のスキルミオン検出素子１５は、非磁性金属で形成した第１電極１５３および第２電極１５４を備える。第１電極１５３および第２電極１５４は、それぞれ同一材料の非磁性金属であっても、異なる材料の非磁性金属であってもよい。 FIG. 41 shows an example of an embodiment of the skyrmion memory 100. The skyrmion memory 100 of this example has the same configuration as the skyrmion memory 100 according to the embodiment of FIG. The skyrmion detection element 15 of this example includes a first electrode 153 and a second electrode 154 formed of a non-magnetic metal. Each of the first electrode 153 and the second electrode 154 may be a non-magnetic metal of the same material or a non-magnetic metal of a different material.
第１電極１５３は、磁性体１１の一端において、磁性体１１と同一層で接する。磁性体１１の一端は、磁性体１１の端部であれば上下左右いずれの端部であってもよい。第１電極１５３は、磁性体１１の一端の少なくとも一部に接していればよい。 The first electrode 153 contacts one end of the magnetic body 11 with the magnetic body 11 in the same layer. One end of the magnetic body 11 may be an upper, lower, left or right end as long as it is an end of the magnetic body 11. The first electrode 153 may be in contact with at least a part of one end of the magnetic body 11.
第２電極１５４は、磁性体１１の他端において、磁性体１１と同一層で接する。磁性体１１の他端とは、磁性体１１の端部であれば上下左右いずれの端部であってもよい。即ち、第１電極１５３および第２電極１５４は、端部領域Ａを形成する位置によらず、任意の端部に配置してよい。例えば、磁性体１１を挟んで、第１電極１５３と対向する端部に第２電極１５４を配置する。 The second electrode 154 is in contact with the magnetic body 11 on the same layer at the other end of the magnetic body 11. The other end of the magnetic body 11 may be an upper, lower, left, or right end as long as it is an end of the magnetic body 11. That is, the first electrode 153 and the second electrode 154 may be arranged at arbitrary ends regardless of the position where the end region A is formed. For example, the second electrode 154 is disposed at an end portion facing the first electrode 153 across the magnetic body 11.
磁性体１１と同一層で接するとは、磁場Ｈと垂直な方向において、第１電極１５３および第２電極１５４が磁性体１１と接していることを指す。第１電極１５３および第２電極１５４を磁性体１１と同一層で接して形成せずに、磁性体１１の上部に積層して形成する場合、生成したスキルミオンが第１電極１５３もしくは第２電極１５４の下部に潜りこむ可能性が発生する。結果として、潜り込んだスキルミオンを消去できないなどの不具合が発生する。したがって、第１電極１５３もしくは第２電極１５４は磁性体１１の端部と接して形成しなければならない。第１電極１５３もしくは第２電極１５４は磁性体端部１１と接して形成することは、第１電極１５３もしくは第２電極１５４を同一の平面で構成することとなり、製造コストを低減できる。 To be in contact with the magnetic body 11 in the same layer means that the first electrode 153 and the second electrode 154 are in contact with the magnetic body 11 in a direction perpendicular to the magnetic field H. In the case where the first electrode 153 and the second electrode 154 are not formed in contact with the magnetic material 11 in the same layer but are formed by being stacked on the magnetic material 11, the generated skyrmion is generated by the first electrode 153 or the second electrode 153. There is a possibility that it will dive below 154. As a result, troubles such as the inability to erase the intruding skillmion occur. Therefore, the first electrode 153 or the second electrode 154 must be formed in contact with the end of the magnetic body 11. Forming the first electrode 153 or the second electrode 154 in contact with the magnetic end portion 11 means that the first electrode 153 or the second electrode 154 is formed on the same plane, and the manufacturing cost can be reduced.
第１電極１５３および第２電極１５４に、測定部３０を接続する。測定部３０は、第１電極１５３と第２電極１５４との間の磁性体１１の抵抗値を測定する。第１電極１５３と第２電極１５４との間の抵抗値は、磁性体１１の抵抗値に対応し、スキルミオン４０の生成および消去に応じて変化する。例えば、スキルミオン４０が存在しない場合、磁性体１１は強磁性体であるから、その磁気モーメントは＋ｚ方向に揃っている。この場合、第１電極１５３および第２電極間１５４に流れる電子スピンの偏極は磁性体１１と同じ＋ｚ方向であるから、スピン散乱を受けない。その結果、第一電極１５３および第２電極間１５４に流れる抵抗値は低い。一方、スキルミオン４０が存在する場合、磁性体１１はスキルミオンのらせん状の磁気モーメントが存在し、その磁気モーメントはｚ方向以外の多くの向きの磁気モーメントが存在することとなる。この場合、第一電極１５３および第２電極間１５４に流れる電子スピンの偏極はスピン散乱を受ける。その結果、第一電極１５３および第２電極間１５４に流れる抵抗値は高くなる。即ち、磁性体１１の抵抗値は、スキルミオン４０が存在する場合の方が、スキルミオン４０が存在しない場合よりも高くなる。測定部３０は、磁性体１１の抵抗値の変化を測定することにより、スキルミオン４０の生成および消去を検出できる。 The measurement unit 30 is connected to the first electrode 153 and the second electrode 154. The measurement unit 30 measures a resistance value of the magnetic body 11 between the first electrode 153 and the second electrode 154. The resistance value between the first electrode 153 and the second electrode 154 corresponds to the resistance value of the magnetic body 11 and changes according to the generation and erasure of the skyrmion 40. For example, when the skyrmion 40 does not exist, since the magnetic body 11 is a ferromagnetic body, its magnetic moments are aligned in the + z direction. In this case, since the polarization of the electron spin flowing between the first electrode 153 and the second electrode 154 is in the same + z direction as that of the magnetic body 11, the electron spin is not scattered. As a result, the resistance value flowing between the first electrode 153 and the second electrode 154 is low. On the other hand, when the skyrmion 40 is present, the magnetic body 11 has a spiral magnetic moment of the skyrmion, and the magnetic moment has magnetic moments in many directions other than the z direction. In this case, the polarization of the electron spin flowing between the first electrode 153 and the second electrode 154 undergoes spin scattering. As a result, the resistance value flowing between the first electrode 153 and the second electrode 154 increases. That is, the resistance value of the magnetic substance 11 is higher when the skyrmion 40 is present than when the skyrmion 40 is not present. The measuring unit 30 can detect generation and erasure of the skyrmion 40 by measuring a change in the resistance value of the magnetic body 11.
図４２は、スキルミオンメモリ１００の実施形態の一例を示す。本例のスキルミオンメモリ１００は、ホール電圧を検出することにより、スキルミオン４０の有無を検出する。本例のスキルミオンメモリ１００は、スキルミオン検出素子１５を除き、図４１の実施形態に係るスキルミオンメモリ１００と同様の構成を有する。スキルミオン検出素子１５は、非磁性金属で形成した第３電極１５５および第４電極１５６をさらに備える。第３電極１５５および第４電極１５６は、それぞれ同一材料の非磁性金属であっても、異なる材料の非磁性金属であってもよい。 FIG. 42 shows an example of the skyrmion memory 100 according to the embodiment. The skyrmion memory 100 of the present embodiment detects the presence or absence of the skyrmion 40 by detecting the Hall voltage. The skyrmion memory 100 of this example has the same configuration as the skyrmion memory 100 according to the embodiment in FIG. The skyrmion detection element 15 further includes a third electrode 155 and a fourth electrode 156 formed of a nonmagnetic metal. Each of the third electrode 155 and the fourth electrode 156 may be a non-magnetic metal of the same material or a non-magnetic metal of a different material.
第３電極１５５は、第１電極１５３と第２電極１５４とがなす配列に対して垂直の配置で、磁性体１１の端部に接する第３非磁性金属からなる。第３電極１５５は、磁性体１１の一端において、磁性体１１と同一層で接する。第３電極１５５は、磁性体１１の一端の少なくとも一部に接していればよい。例えば、第１電極１５３および第２電極１５４を磁性体１１の左右に配置した場合に、磁性体１１の下側に第３電極１５５を配置する。 The third electrode 155 is made of a third nonmagnetic metal that is in contact with the end of the magnetic body 11 in an arrangement perpendicular to the arrangement formed by the first electrode 153 and the second electrode 154. The third electrode 155 contacts one end of the magnetic body 11 with the magnetic body 11 in the same layer. The third electrode 155 may be in contact with at least a part of one end of the magnetic body 11. For example, when the first electrode 153 and the second electrode 154 are arranged on the left and right of the magnetic body 11, the third electrode 155 is arranged below the magnetic body 11.
第４電極１５６は、第３電極１５５とは離間して対向する磁性体１１の端部に接する第４非磁性金属からなる。第４電極１５６は、磁性体１１の一端において、磁性体１１と同一層で接する。第４電極１５６は、磁性体１１の一端の少なくとも一部に接していればよい。例えば、第１電極１５３および第２電極１５４を磁性体１１の左右に配置した場合に、磁性体１１の上側に第４電極１５６を配置する。 The fourth electrode 156 is made of a fourth non-magnetic metal that is in contact with the end of the magnetic body 11 that faces away from the third electrode 155. The fourth electrode 156 contacts one end of the magnetic body 11 with the magnetic body 11 in the same layer. The fourth electrode 156 may be in contact with at least a part of one end of the magnetic body 11. For example, when the first electrode 153 and the second electrode 154 are arranged on the left and right of the magnetic body 11, the fourth electrode 156 is arranged above the magnetic body 11.
以上の通り、第３電極１５５および第４電極１５６を、第１電極１５３および第２電極１５４により磁性体１１に流れる電流に対して垂直な方向の電圧値を計測するように配置する。第３電極１５５および第４電極１５６を、第１電極１５３および第２電極１５４と同様の工程で形成すれば、製造コストを低減できる。 As described above, the third electrode 155 and the fourth electrode 156 are arranged so that the first electrode 153 and the second electrode 154 measure a voltage value in a direction perpendicular to the current flowing through the magnetic body 11. If the third electrode 155 and the fourth electrode 156 are formed in the same process as the first electrode 153 and the second electrode 154, the manufacturing cost can be reduced.
測定部３０は、第３電極１５５および第４電極１５６に接続した電圧計３３をさらに備える。スキルミオン４０が存在する場合、第１電極１５３と第２電極１５４との間に電流を流すと、電流の流れと垂直方向にホール電圧が発生する。一方、スキルミオン４０が存在しない場合、ホール電圧は最小値である。即ち、測定部３０は、「１」、「０」信号の読み取りをスキルミオン４０の有無をホール電圧の差分として検出するので、直接的である。本実施形態に係るスキルミオン４０の検出方法は、比較する一方のホール電圧が小さいので、感度が高い。 The measurement unit 30 further includes a voltmeter 33 connected to the third electrode 155 and the fourth electrode 156. When the skyrmion 40 is present, when a current flows between the first electrode 153 and the second electrode 154, a Hall voltage is generated in a direction perpendicular to the current flow. On the other hand, when the skyrmion 40 does not exist, the Hall voltage is the minimum value. That is, the measuring unit 30 directly reads the reading of the “1” and “0” signals because it detects the presence or absence of the skyrmion 40 as a difference between the Hall voltages. The detection method of the skyrmion 40 according to the present embodiment is high in sensitivity because one of the Hall voltages to be compared is small.
第３電極１５５もしくは第４電極１５６の一方は第１電極１５３もしくは第２電極１５４と兼用してもよい。電圧計３３に接続した二つの配線のうちいずれか一方の配線は第１電極１５３もしくは第２電極１５４に接続すればよい。電圧計が得る電圧値の差分を検出すれば、スキルミオン４０を検出できる。この場合、感度は低下するが、電極面積を減らせるので集積度を向上できる。 One of the third electrode 155 and the fourth electrode 156 may also serve as the first electrode 153 or the second electrode 154. One of the two wirings connected to the voltmeter 33 may be connected to the first electrode 153 or the second electrode 154. The skyrmion 40 can be detected by detecting the difference between the voltage values obtained by the voltmeter. In this case, the sensitivity is reduced, but the integration area can be improved because the electrode area can be reduced.
図４３は、スキルミオンメモリデバイス１１０の断面構造を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリ１００を少なくとも一つ備えるデバイスである。スキルミオンメモリデバイス１１０は、強磁性体層である磁場発生部２０および磁場発生部２０の上方に形成した磁気素子１０を備える。磁気素子１０と磁場発生部２０との間には、非磁性体層を設ける。本例の磁気素子１０は、図４１に示した磁気素子１０に対応し、第１電極１５３、第２電極１５４を有する。または図４２に示した磁気素子１０に対応し、第１電極１５３、第２電極１５４、第３電極１５５および第４電極１５６を有する。測定部３０の断面図は図示していない。磁気素子１０は、磁性体層６０、磁性体保護層６５、第１配線層７０および第２配線層７５の順に積層した積層構造を有する。 FIG. 43 shows a cross-sectional structure of the skyrmion memory device 110. The skyrmion memory device 110 is a device including at least one skyrmion memory 100. The skyrmion memory device 110 includes a magnetic field generator 20 that is a ferromagnetic layer and the magnetic element 10 formed above the magnetic field generator 20. A nonmagnetic layer is provided between the magnetic element 10 and the magnetic field generator 20. The magnetic element 10 of this example corresponds to the magnetic element 10 shown in FIG. 41, and has a first electrode 153 and a second electrode 154. Alternatively, it has a first electrode 153, a second electrode 154, a third electrode 155, and a fourth electrode 156 corresponding to the magnetic element 10 shown in FIG. A sectional view of the measuring unit 30 is not shown. The magnetic element 10 has a laminated structure in which a magnetic layer 60, a magnetic protective layer 65, a first wiring layer 70, and a second wiring layer 75 are laminated in this order.
磁性体層６０は、磁性体１１、絶縁体６１、第１電極１５３および第２電極１５４を有する。磁性体１１において、スキルミオン４０を生成および消去する。絶縁体６１は、磁性体１１、第１電極１５３および第２電極１５４を囲む。第１電極１５３および第２電極１５４を、非磁性体金属で形成する。磁性体１１、第１電極１５３および第２電極１５４は、スキルミオン磁気媒体の基本構造である非磁性体金属（Ｎｏｎｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｅｔａｌ）、磁性体（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ）および非磁性体金属（Ｎｏｎｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｅｔａｌ）を連結した構造を有する。当該構造を、略してＮＭＮ構造と称する。磁性体層６０は、同一層内に複数のＮＭＮ構造を備えてよい。 The magnetic layer 60 has a magnetic body 11, an insulator 61, a first electrode 153, and a second electrode 154. In the magnetic body 11, the skyrmion 40 is generated and erased. The insulator 61 surrounds the magnetic body 11, the first electrode 153, and the second electrode 154. The first electrode 153 and the second electrode 154 are formed of a non-magnetic metal. The magnetic body 11, the first electrode 153, and the second electrode 154 connect a non-magnetic metal (Nonmagnetic Metal), a magnetic body (Magnetic Material), and a non-magnetic metal (Nonmagnetic Metal), which are basic structures of a skyrmion magnetic medium. It has the following structure. This structure is abbreviated as the NMN structure. The magnetic layer 60 may have a plurality of NMN structures in the same layer.
磁性体保護層６５は、磁性体保護膜６６および第１ビア６７を有する。磁性体保護膜６６は、磁性体層６０を保護する。第１ビア６７は、第１電極１５３および第２電極１５４に、スキルミオン検出用の電流を供給する。 The magnetic material protection layer 65 has a magnetic material protection film 66 and a first via 67. The magnetic material protective film 66 protects the magnetic material layer 60. The first via 67 supplies a current for skyrmion detection to the first electrode 153 and the second electrode 154.
第１配線層７０は、第１配線７１、第１配線保護膜７２および第２ビア７３を有する。第１配線７１は、磁場発生用およびスキルミオン検出用の電流経路を形成する。第１配線保護膜７２は、第１配線７１および第２ビア７３を形成するための層間絶縁膜として機能する。磁場生成用とスキルミオン検出用の２種類の電流経路を同一層内で、互いが交差せずに引き回しするのは困難である。そのため、第１配線層７０上に第２配線層７５を形成してもよい。 The first wiring layer 70 has a first wiring 71, a first wiring protection film 72, and a second via 73. The first wiring 71 forms a current path for generating a magnetic field and detecting a skyrmion. The first wiring protection film 72 functions as an interlayer insulating film for forming the first wiring 71 and the second via 73. It is difficult to route two types of current paths for magnetic field generation and skyrmion detection within the same layer without crossing each other. Therefore, the second wiring layer 75 may be formed on the first wiring layer 70.
第２配線層７５は、第２配線７６および第２配線保護膜７７を有する。第２配線７６を第２ビア７３と接続する。第２配線保護膜７７は、第２配線７６を絶縁するための層間絶縁膜として機能する。例えば、第２ビア７３は、磁場生成用とスキルミオン検出用の２種類の電流経路のうち少なくとも一方に接続する。 The second wiring layer 75 has a second wiring 76 and a second wiring protection film 77. The second wiring 76 is connected to the second via 73. The second wiring protection film 77 functions as an interlayer insulating film for insulating the second wiring 76. For example, the second via 73 is connected to at least one of two types of current paths for generating a magnetic field and detecting skyrmion.
磁性体１１中に、黒丸でスキルミオン４０を図示した。第１配線７１による電流経路から発生した磁場を下向き矢印で図示した。第１配線７１によるコイル電流経路により発生した磁場により磁性体１１中にスキルミオン４０を生成できる。 The skyrmion 40 is illustrated by a black circle in the magnetic body 11. The magnetic field generated from the current path by the first wiring 71 is shown by a downward arrow. The skyrmion 40 can be generated in the magnetic body 11 by the magnetic field generated by the coil current path by the first wiring 71.
図４４は、スキルミオンメモリデバイス１１０の断面図を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリ１００およびＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、電界効果トランジスタ）９９を備える。ＦＥＴ９９が存在しないシリコン基板上にスキルミオンメモリ１００を形成する。ＦＥＴ９９は、一般的なシリコンプロセスにより形成する一般的なＦＥＴである。本例のＦＥＴ９９は、２層のＣｕ配線層を有する。 FIG. 44 shows a cross-sectional view of the skyrmion memory device 110. The skyrmion memory device 110 includes the skyrmion memory 100 and an FET (Field Effect Transistor) 99. A skyrmion memory 100 is formed on a silicon substrate where no FET 99 exists. The FET 99 is a general FET formed by a general silicon process. The FET 99 of this example has two Cu wiring layers.
図４５Ａから図４５Ｈは、図４３に示したスキルミオンメモリデバイス１１０の製造工程を示す。ここではＦＥＴ９９の製造工程を示さない。図４５Ａは、磁場発生部２０および非磁性体金属１５７の形成工程を示す。本例において、シリコンで形成した基板８０上に磁場発生部２０を形成する。磁場発生部２０は、強磁性体膜で形成し、基板８０側から磁性体層６０側へ、一様な垂直磁場を発生させる。例えば、スパッター装置によって３０００Åの厚みで磁場発生部２０を形成する。磁性体１１に磁場強度Ｈ＝０．０３Ｊが印加できるような保持特性をもつように、磁場発生部２０の材料および膜厚を選択する。磁場発生部２０は、鉄酸化物からなるフェライト磁石または希土類金属磁石で、形成する。磁場発生部２０と基板８０との層間にシリコン酸化膜などの絶縁膜が存在していてもよい。 FIGS. 45A to 45H show a process of manufacturing the skyrmion memory device 110 shown in FIG. Here, the manufacturing process of the FET 99 is not shown. FIG. 45A shows a step of forming the magnetic field generator 20 and the non-magnetic metal 157. In this example, the magnetic field generation unit 20 is formed on a substrate 80 made of silicon. The magnetic field generation unit 20 is formed of a ferromagnetic film, and generates a uniform vertical magnetic field from the substrate 80 side to the magnetic layer 60 side. For example, the magnetic field generating section 20 is formed with a thickness of 3000 ° by a sputtering apparatus. The material and the film thickness of the magnetic field generation unit 20 are selected so as to have a holding characteristic such that a magnetic field intensity H = 0.03 J can be applied to the magnetic body 11. The magnetic field generator 20 is formed of a ferrite magnet or a rare earth metal magnet made of iron oxide. An insulating film such as a silicon oxide film may be present between the magnetic field generator 20 and the substrate 80.
レジスト８５は、磁場発生部２０上において、磁性体１１の形状でパターニングする。例えば、レジスト８５は、スピンコートにより数１０００Åの厚さで形成する。磁性体１１を形成する領域にレジスト８５をＥＵＶ露光する。ＥＵＶ露光した領域以外の領域を現像により除去する。レジスト８５の材料は、半導体の製造工程で一般的に用いる材料でよい。 The resist 85 is patterned in the shape of the magnetic body 11 on the magnetic field generating unit 20. For example, the resist 85 is formed with a thickness of several thousand degrees by spin coating. EUV exposure is performed on the resist 85 in the region where the magnetic body 11 is to be formed. Areas other than the EUV-exposed areas are removed by development. The material of the resist 85 may be a material generally used in a semiconductor manufacturing process.
非磁性体金属１５７は、磁場発生部２０およびレジスト８５の上に形成する。非磁性体金属１５７は、後にパターニングすることにより、スキルミオン検出素子１５の第１電極１５３および第２電極１５４となる。例えば、スパッター装置により５００Åの厚みで非磁性体金属１５７を形成する。非磁性体金属１５７を銅ＣｕもしくはアルミニウムＡｌ等の非磁性金属で形成する。 The non-magnetic metal 157 is formed on the magnetic field generator 20 and the resist 85. The nonmagnetic metal 157 becomes the first electrode 153 and the second electrode 154 of the skyrmion detection element 15 by patterning later. For example, the nonmagnetic metal 157 is formed to a thickness of 500 ° by a sputtering apparatus. The non-magnetic metal 157 is formed of a non-magnetic metal such as copper Cu or aluminum Al.
図４５Ｂは、レジスト８５の剥離工程を示す。レジスト８５をドライ工程もしくはウェット工程により剥離する。例えば、ドライ工程の場合、酸素ガスアッシャーによりレジスト８５を剥離する。レジスト８５を剥離すると、磁性体１１を形成すべき場所に、非磁性体金属１５７の凹部を形成する。本例の非磁性体金属１５７は、リフトオフプロセスにより形成するが、エッチングプロセスにより形成してもよい。 FIG. 45B shows a step of removing the resist 85. The resist 85 is removed by a dry process or a wet process. For example, in the case of a dry process, the resist 85 is peeled off by an oxygen gas asher. When the resist 85 is peeled off, a concave portion of the nonmagnetic metal 157 is formed at a position where the magnetic material 11 is to be formed. The nonmagnetic metal 157 of this example is formed by a lift-off process, but may be formed by an etching process.
図４５Ｃは、磁性体１１を形成する工程を示す。本例では、ＭＢＥ装置により５００Åの厚さで磁性体１１を形成する。非磁性体金属１５７の凹部および磁性体層６０の全面に磁性体１１を形成する。本例の磁性体１１は、非磁性体金属１５７と同じ膜厚を有する。しかし、本工程で堆積する磁性体１１の膜厚は、非磁性体金属１５７の膜厚よりも厚くても、非磁性体金属１５７の膜厚よりも薄くてもよい。 FIG. 45C shows a step of forming the magnetic body 11. In this example, the magnetic body 11 is formed with a thickness of 500 ° by the MBE apparatus. The magnetic material 11 is formed on the concave portion of the nonmagnetic metal 157 and the entire surface of the magnetic layer 60. The magnetic body 11 of this example has the same thickness as the non-magnetic metal 157. However, the thickness of the magnetic body 11 deposited in this step may be greater than the thickness of the nonmagnetic metal 157, or may be smaller than the thickness of the nonmagnetic metal 157.
図４５Ｄは、磁性体１１の除去工程およびレジスト８５の塗布工程を示す。化学機械処理法（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ）で非磁性体金属１５７の上部に形成した磁性体１１を除去する。その後、第１電極１５３および第２電極１５４を形成するために、レジスト８５を塗布する。ＥＵＶ露光および現像工程により、磁性体１１、第１電極１５３、および第２電極１５４の形状に合わせて、レジスト８５をパターニングする。なお、第１電極１５３および第２電極１５４と同時に、第３電極１５５および第４電極１５６をパターニングしてもよい。これにより、新たな工程を追加することなく、図４２で示した第３電極１５５および第４電極１５６を有するスキルミオンメモリ１００を形成できる。 FIG. 45D shows a step of removing the magnetic body 11 and a step of applying the resist 85. The magnetic material 11 formed on the non-magnetic metal 157 is removed by a chemical mechanical process (CMP). After that, a resist 85 is applied to form the first electrode 153 and the second electrode 154. The resist 85 is patterned according to the shapes of the magnetic body 11, the first electrode 153, and the second electrode 154 by an EUV exposure and development process. Note that the third electrode 155 and the fourth electrode 156 may be patterned at the same time as the first electrode 153 and the second electrode 154. Thus, the skyrmion memory 100 having the third electrode 155 and the fourth electrode 156 shown in FIG. 42 can be formed without adding a new process.
図４５Ｅは、電極のエッチング工程および絶縁体６１の形成工程を示す。ドライエッチングにより、第１電極１５３および第２電極１５４を形成する。本工程により、スキルミオンメモリ１００の基本構造であるＮＭＮ構造が完成する。以下の工程は通常のＬＳＩの配線工程と同じである。磁性体層６０において、ＮＭＮ構造の周囲に絶縁体６１を形成する。 FIG. 45E shows a step of etching the electrodes and a step of forming the insulator 61. The first electrode 153 and the second electrode 154 are formed by dry etching. By this step, the NMN structure, which is the basic structure of the skyrmion memory 100, is completed. The following steps are the same as the ordinary LSI wiring steps. In the magnetic layer 60, an insulator 61 is formed around the NMN structure.
図４５Ｆは、磁性体保護層６５および第１配線７１を形成する工程を示す。磁性体層６０上に磁性体保護膜６６を形成する。第１ビア６７は、磁性体保護膜６６に形成した開口に配線用の金属を堆積することにより形成する。即ち、一般的な半導体製造工程と同様の工程により磁性体保護膜６６および第１ビア６７を形成する。 FIG. 45F shows a step of forming the magnetic material protection layer 65 and the first wiring 71. A magnetic material protective film 66 is formed on the magnetic material layer 60. The first via 67 is formed by depositing a metal for wiring in an opening formed in the magnetic material protection film 66. That is, the magnetic material protective film 66 and the first via 67 are formed by a process similar to a general semiconductor manufacturing process.
磁性体保護層６５上に第１配線７１を形成する。第１配線７１はスキルミオン生成、消去用の磁場発生用電流経路やスキルミオンセンサー用の電流経路として用いる。第１配線７１は、一般的なリソグラフィー工程およびエッチング工程でパターニングする。第１配線７１は、エッチングプロセスおよびリフトオフプロセスのいずれの方法によって形成してもよい。 The first wiring 71 is formed on the magnetic material protection layer 65. The first wiring 71 is used as a current path for generating and erasing a skyrmion and a current path for a skyrmion sensor. The first wiring 71 is patterned by a general lithography process and an etching process. The first wiring 71 may be formed by any of an etching process and a lift-off process.
図４５Ｇは、第１配線層７０および第２配線層７５の形成工程を示す。第１配線保護膜７２は、磁性体保護層６５および第１配線７１上に形成する。第２ビア７３は、第１配線保護膜７２に形成した開口に配線用の金属を堆積することにより形成する。 FIG. 45G shows a step of forming the first wiring layer 70 and the second wiring layer 75. The first wiring protection film 72 is formed on the magnetic material protection layer 65 and the first wiring 71. The second via 73 is formed by depositing a metal for wiring in the opening formed in the first wiring protection film 72.
第２配線７６は、第１配線層７０上に形成する。第２配線７６は、一般的なリソグラフィー工程およびエッチング工程を用いてパターニングする。第２配線７６は、エッチングプロセスおよびリフトオフプロセスのいずれの方法によって形成してもよい。第２配線保護膜７７は、第１配線層７０および第２配線７６上に形成する。第２配線７６および第２配線保護膜７７は、一般的な半導体製造工程と同様の工程により形成する。 The second wiring 76 is formed on the first wiring layer 70. The second wiring 76 is patterned using a general lithography process and an etching process. The second wiring 76 may be formed by any of an etching process and a lift-off process. The second wiring protection film 77 is formed on the first wiring layer 70 and the second wiring 76. The second wiring 76 and the second wiring protection film 77 are formed by a process similar to a general semiconductor manufacturing process.
以上、磁場を発生する磁場発生部２０の上に磁気素子１０を形成する製造工程を示した。スキルミオンメモリデバイス１１０の製造に必要なホトマスクの数は、合計で７枚である。即ち、磁場発生部２０に１枚。ＮＭＮ構造（磁性体１１、第１電極１５３および第２電極１５４）に２枚、第１ビア６７の形成に１枚、第１配線７１の形成に１枚、第２ビア７３の形成に１枚、第２配線７６の形成に１枚のホトマスクを使用する。通常の２層配線ＣＭＯＳのホト工程の３分の１以下で磁気素子は製造できる。また、本例の製造工程は既存のＬＳＩ製造工程を使用していることからプロセス開発コストおよび製造コストが小さい。スキルミオンメモリ１００を制御するスイッチやセンサ増幅用ＣＭＯＳ−ＦＥＴ構造は同一チップに搭載が必須である。このＣＭＯＳ−ＦＥＴ製造プロセスの用いるホト工程はスキルミオンメモリ製造のためのホト工程と兼用できるからホトマスクの枚数の増加は磁場発生部のみの１枚の増加に留まる。製造コストの増加を著しく低減できる。 The manufacturing process for forming the magnetic element 10 on the magnetic field generating unit 20 that generates a magnetic field has been described above. The total number of photomasks required for manufacturing the skyrmion memory device 110 is seven. That is, one sheet is provided for the magnetic field generator 20. Two in the NMN structure (the magnetic body 11, the first electrode 153 and the second electrode 154), one in the formation of the first via 67, one in the formation of the first wiring 71, and one in the formation of the second via 73 , One photomask is used for forming the second wiring 76. A magnetic element can be manufactured in one-third or less of the photo process of a normal two-layer wiring CMOS. Further, since the manufacturing process of this example uses the existing LSI manufacturing process, the process development cost and the manufacturing cost are small. A switch for controlling the skyrmion memory 100 and a CMOS-FET structure for sensor amplification must be mounted on the same chip. Since the photo process used in the CMOS-FET manufacturing process can be used also as a photo process for manufacturing a skyrmion memory, the increase in the number of photomasks is limited to the increase of only one magnetic field generating portion. The increase in manufacturing cost can be significantly reduced.
図４５Ｈは、磁気素子１０を積層したスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、磁気素子１０−１および磁気素子１０−２を備える。図４５Ａから図４５Ｇまでの製造工程を繰り返すことによりスキルミオンメモリデバイス１１０を製造する。スキルミオンメモリデバイス１１０は、磁気素子１０を積層することにより、集積度を大きくできる。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、図４５Ｇに示したスキルミオンメモリデバイス１１０の２倍の集積度を実現できる。 FIG. 45H shows a skyrmion memory device 110 in which the magnetic elements 10 are stacked. The skyrmion memory device 110 of this example includes a magnetic element 10-1 and a magnetic element 10-2. The skyrmion memory device 110 is manufactured by repeating the manufacturing steps of FIGS. 45A to 45G. In the skyrmion memory device 110, the degree of integration can be increased by stacking the magnetic elements 10. The skyrmion memory device 110 of this example can realize twice the degree of integration of the skyrmion memory device 110 shown in FIG. 45G.
図４６は、磁気素子１０をｎ層積層したスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、ｎ＝１２の場合である。磁場発生部２０は、３０００Åの膜厚を有する。磁気素子１０は、磁気素子１０−１から磁気素子１０−ｎまで積層した構造を有する。本例の磁気素子１０は、合計３５０００Åの膜厚を有する。 FIG. 46 shows a skyrmion memory device 110 in which n layers of the magnetic element 10 are stacked. The skyrmion memory device 110 of this example is a case where n = 12. The magnetic field generator 20 has a thickness of 3000 °. The magnetic element 10 has a structure in which the magnetic elements 10-1 to 10-n are stacked. The magnetic element 10 of the present example has a total film thickness of 35000 °.
図４７は、複数の磁場発生部２０を有するスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、磁気素子１０−１から磁気素子１０−８までの合計８層の磁気素子１０を有する。スキルミオンメモリデバイス１１０は、磁場発生部２０−１上に、４層の磁気素子１０を有する。スキルミオンメモリデバイス１１０は、磁気素子１０−４と磁気素子１０−５との間に磁場発生部２０−２をさらに有する。これにより、磁気素子１０は、磁場発生部２０から受ける磁場の強度を一定に保つことができる。磁場発生部２０は、磁気素子１０の材料等に応じて適当な間隔で配置してよい。 FIG. 47 shows a skyrmion memory device 110 having a plurality of magnetic field generators 20. The skyrmion memory device 110 of this example has a total of eight layers of the magnetic element 10 from the magnetic element 10-1 to the magnetic element 10-8. The skyrmion memory device 110 has the four-layer magnetic element 10 on the magnetic field generation unit 20-1. The skyrmion memory device 110 further includes a magnetic field generator 20-2 between the magnetic element 10-4 and the magnetic element 10-5. Thereby, the magnetic element 10 can keep the intensity of the magnetic field received from the magnetic field generator 20 constant. The magnetic field generators 20 may be arranged at appropriate intervals according to the material of the magnetic element 10 and the like.
図４８は、スキルミオンメモリデバイス１１０の構成の一例を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリ１００およびＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０を備える。ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０上にスキルミオンメモリ１００を形成する。本例のＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０は、ＰＭＯＳ−ＦＥＴ９１およびＮＭＯＳ−ＦＥＴ９２を有する。 FIG. 48 shows an example of the configuration of the skyrmion memory device 110. The skyrmion memory device 110 includes the skyrmion memory 100 and a CMOS-FET 90 that forms a CPU function. A skyrmion memory 100 is formed on the CMOS-FET 90. The CMOS-FET 90 of this example has a PMOS-FET 91 and an NMOS-FET 92.
スキルミオンメモリデバイス１１０は、ＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０と、積層した大規模不揮発性メモリであるスキルミオンメモリ１００を同一のチップ内に有することができる。この結果、ＣＰＵの処理時間の短縮化、高速化が実現し、ＣＰＵの消費電力を大幅に低減できる。すなわち、ＰＣ起動時の基本ＯＳなどのＨＤからの呼び出し、外付けＳＲＡＭやＤＲＡＭなどへの書き込み、読み出しなどの処理時間を大幅に短縮可能となり、ＣＰＵタイムの削減（大幅高速化）に貢献する。この結果、大幅に消費電力が低いＣＰＵを実現できる。さらに大規模不揮発性メモリであるスキルミオンメモリ１００はメモリ保持のための電力消費がゼロである。スキルミオンの磁気モーメントの向きはトポロジカル安定性を有するために外部からの一切の電力供給を必要としない。ＤＲＡＭメモリはデータリフレッシュが必要であり、ＳＲＡＭも揮発性であるので常時電力投入が必要である。フラッシュメモリはデータアクセスタイムが長いのでＣＰＵと直接データのやり取りはできない。 The skyrmion memory device 110 can have the CMOS-FET 90 constituting the CPU function and the skyrmion memory 100 which is a stacked large-scale nonvolatile memory in the same chip. As a result, the processing time and speed of the CPU can be reduced, and the power consumption of the CPU can be significantly reduced. That is, it is possible to greatly reduce the processing time for calling the basic OS or the like from the HD at the time of starting the PC, writing or reading the data to or from an external SRAM or DRAM, and contributes to the reduction of the CPU time (improving the speed). As a result, a CPU with significantly lower power consumption can be realized. Furthermore, the skyrmion memory 100, which is a large-scale nonvolatile memory, consumes no power for holding the memory. The orientation of the magnetic moment of the skyrmion does not require any external power supply to have topological stability. The DRAM memory requires data refresh, and the SRAM is also volatile, so that power must be always supplied. Since the flash memory has a long data access time, data cannot be directly exchanged with the CPU.
図４９は、現在の到達の量産技術であるＬＳＩ最小加工寸法を１５ｎｍとしたときのスキルミオンメモリ１００の設計サイズを示す。表面から見た場合の磁性体１１および電流経路１２のサイズを示す。ＬＳＩ最小加工寸法１５ｎｍなので電流経路１２の線幅は１５ｎｍとなる。端部領域Ａの幅は１５ｎｍに加工可能であるが、多少マージンをもたせ２０ｎｍとした。この結果、端部領域Ａの高さは３０ｎｍとなる。磁性体１１の幅Ｗｍは５０ｎｍである。磁性体の高さｈｍはＷｍと同じ大きさとした。このような磁性体サイズを選択した場合のスキルミオン４０の直径λは下記設計ルールで決まる。磁性体サイズは、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
である。第１式から２Ｗｍ＞λ＞Ｗｍ／２、第２式から２ｈｍ＞λ＞ｈｍ／２である。今、Ｗｍ＝ｈｍ＝５０ｎｍであるから、１００ｎｍ＞λ＞２５ｎｍの範囲のスキルミオンの直径が選択可能である。スキルミオンの直径λは先行技術文献１に見るようにたとえばＦｅＧｅでは７０ｎｍ、ＭｎＳｉでは１８ｎｍである。したがって、現在の到達の量産技術であるＬＳＩ最小加工寸法１５ｎｍの場合、スキルミオン直径７０ｎｍのＦｅＧｅを選択すればよい。将来ＬＳＩ最小加工寸法１０ｎｍが実現できた場合、６７ｎｍ＞λ＞１７ｎｍの範囲のスキルミオンの直径λが選択可能である。スキルミオン直径１８ｎｍのＭｎＳｉを選択すればよい。したがって、現量産技術や将来量産技術に対して、すでに適切なスキルミオンの直径λをもった磁性体１１が存在している。FIG. 49 shows the design size of the sky-rmion memory 100 when the minimum processing size of the LSI, which is the current mass production technology, is 15 nm. The size of the magnetic body 11 and the current path 12 when viewed from the surface is shown. Since the LSI minimum processing size is 15 nm, the line width of the current path 12 is 15 nm. Although the width of the end region A can be processed to 15 nm, the width is set to 20 nm with some margin. As a result, the height of the end region A is 30 nm. The width Wm of the magnetic body 11 is 50 nm. The height hm of the magnetic material was the same as Wm. The diameter λ of the skyrmion 40 when such a magnetic material size is selected is determined by the following design rule. Assuming that the width of the magnetic material is Wm and the height is hm, the magnetic material size is:
2λ>Wm> λ / 2
2λ>hm> λ / 2
It is. From the first equation, 2Wm>λ> Wm / 2, and from the second equation, 2hm>λ> hm / 2. Now, since Wm = hm = 50 nm, the diameter of skyrmion in the range of 100 nm>λ> 25 nm can be selected. The diameter λ of the skyrmion is, for example, 70 nm for FeGe and 18 nm for MnSi as seen in the prior art document 1. Therefore, in the case of an LSI minimum processing size of 15 nm, which is the current mass production technology, FeGe having a skyrmion diameter of 70 nm may be selected. If the LSI minimum processing size of 10 nm can be realized in the future, the diameter of the skyrmion in the range of 67 nm>λ> 17 nm can be selected. What is necessary is just to select MnSi with a diameter of 18 nm of skyrmion. Accordingly, there is already a magnetic body 11 having an appropriate skyrmion diameter λ for current mass production technology and future mass production technology.
図５０は、スキルミオンメモリデバイス１１０の書き込み回路の一例を示す。スキルミオンメモリ１００にデータを書き込む場合とは、スキルミオンメモリ１００にスキルミオン４０を生成する場合を指す。本例のスキルミオン検出素子１５は、図３の例に対応し、ＴＭＲ素子を有する。スキルミオンメモリデバイス１１０の回路構成は、スキルミオン検出素子１５として図４１や図４２に示した構成を用いる場合でも基本的には同一である。 FIG. 50 shows an example of a write circuit of the skyrmion memory device 110. Writing data to skyrmion memory 100 refers to generating skyrmions 40 in skyrmion memory 100. The skyrmion detection element 15 of this example corresponds to the example of FIG. 3 and has a TMR element. The circuit configuration of the skyrmion memory device 110 is basically the same even when the configuration shown in FIGS. 41 and 42 is used as the skyrmion detection element 15.
複数のスキルミオンメモリ１００を、スキルミオン生成線９５およびスキルミオン消去線９６に接続する。例えば、スキルミオン生成線９５（ｎ）を、ｎ行のスキルミオンメモリ１００にそれぞれ接続し、スキルミオン消去線９６（ｎ）を、ｎ列のスキルミオンメモリ１００にそれぞれ接続する。スキルミオンメモリ１００に接続した各線にはＦＥＴを接続する。ＦＥＴは、ゲートに電圧を印加することにより、個々のスキルミオンメモリ１００を選択する電気的スイッチとして働く。 A plurality of skyrmion memories 100 are connected to a skyrmion generation line 95 and a skyrmion erase line 96. For example, the skyrmion generation line 95 (n) is connected to the skyrmion memory 100 in n rows, and the skyrmion erase line 96 (n) is connected to the skyrmion memory 100 in n columns. An FET is connected to each line connected to the skyrmion memory 100. The FET acts as an electrical switch that selects an individual skyrmion memory 100 by applying a voltage to the gate.
例えば、スキルミオンメモリ１００（ｎ、ｎ）においてスキルミオン４０を生成する場合、スキルミオン生成線９５（ｎ）およびスキルミオン消去線９６（ｎ）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン生成線９５（ｎ）からスキルミオン消去線９６（ｎ）に向けて電流を流すと、スキルミオンメモリ１００（ｎ、ｎ）のスキルミオン４０を生成する。また、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）においてスキルミオン４０を生成する場合、スキルミオン生成線９５（ｎ−１）およびスキルミオン消去線９６（ｎ＋１）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン生成線９５（ｎ−１）からスキルミオン消去線９６（ｎ＋１）に向けて電流を流すと、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）にスキルミオン４０を生成する。 For example, when the skyrmion 40 is generated in the skyrmion memory 100 (n, n), the FETs connected to the skyrmion generation line 95 (n) and the skyrmion erase line 96 (n) are turned on. Thereafter, when a current flows from the skyrmion generation line 95 (n) to the skyrmion erase line 96 (n), the skyrmion 40 of the skyrmion memory 100 (n, n) is generated. When generating the skyrmion 40 in the skyrmion memory 100 (n-1, n + 1), the FETs connected to the skyrmion generation line 95 (n-1) and the skyrmion erase line 96 (n + 1) are turned on. Thereafter, when a current is supplied from the skyrmion generation line 95 (n-1) to the skyrmion erase line 96 (n + 1), the skyrmion 40 is generated in the skyrmion memory 100 (n-1, n + 1).
図５１は、スキルミオンメモリデバイス１１０の消去回路の一例を示す。スキルミオンメモリ１００にデータを消去する場合とは、スキルミオンメモリ１００のスキルミオン４０を消去する場合を指す。本例では、図５０の例と同様の配線で、スキルミオンメモリ１００に、スキルミオン生成線９５およびスキルミオン消去線９６を接続する。スキルミオン４０を生成する場合と同様に、ＦＥＴのスイッチングにより、スキルミオンメモリ１００を選択する。スキルミオン消去線９６からスキルミオン生成線９５に向けて電流を流すことにより、スキルミオン４０を消去する。 FIG. 51 shows an example of an erase circuit of the skyrmion memory device 110. The case where data is erased from the skyrmion memory 100 refers to the case where the skyrmion 40 of the skyrmion memory 100 is erased. In this example, a skyrmion generation line 95 and a skyrmion erase line 96 are connected to the skyrmion memory 100 with the same wiring as the example in FIG. As in the case where the skyrmion 40 is generated, the skyrmion memory 100 is selected by switching the FET. By passing a current from the skyrmion erase line 96 to the skyrmion generation line 95, the skyrmion 40 is erased.
例えば、スキルミオンメモリ１００（ｎ、ｎ）においてスキルミオン４０を消去する場合、スキルミオン生成線９５（ｎ）およびスキルミオン消去線９６（ｎ）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン消去線９６（ｎ）からスキルミオン生成線９５（ｎ）に向けて電流を流し、スキルミオンメモリ１００（ｎ、ｎ）のスキルミオン４０を消去する。また、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）においてスキルミオン４０を生成する場合、スキルミオン生成線９５（ｎ−１）およびスキルミオン消去線９６（ｎ＋１）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン消去線９６（ｎ＋１）からスキルミオン生成線９５（ｎ−１）に向けて電流を流し、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）においてスキルミオン４０を消去する。 For example, when erasing the skyrmion 40 in the skyrmion memory 100 (n, n), the FETs connected to the skyrmion generation line 95 (n) and the skyrmion erase line 96 (n) are turned on. Thereafter, a current is supplied from the skyrmion erase line 96 (n) to the skyrmion generation line 95 (n) to erase the skyrmion 40 in the skyrmion memory 100 (n, n). When generating the skyrmion 40 in the skyrmion memory 100 (n-1, n + 1), the FETs connected to the skyrmion generation line 95 (n-1) and the skyrmion erase line 96 (n + 1) are turned on. Thereafter, a current is caused to flow from the skyrmion erase line 96 (n + 1) to the skyrmion generation line 95 (n-1) to erase the skyrmion 40 in the skyrmion memory 100 (n-1, n + 1).
図５２は、スキルミオンメモリデバイス１１０の読み出し回路の一例を示す。スキルミオンメモリ１００のデータを読み出す場合とは、スキルミオンメモリ１００のスキルミオン４０を検出する場合を指す。スキルミオン４０を検知する場合、スキルミオン生成線９５およびスキルミオン消去線９６に加えて、ワード線９７を用いる。 FIG. 52 shows an example of a reading circuit of the skyrmion memory device 110. Reading data from the skyrmion memory 100 refers to detecting the skyrmion 40 in the skyrmion memory 100. When detecting the skyrmion 40, a word line 97 is used in addition to the skyrmion generation line 95 and the skyrmion erase line 96.
スキルミオン消去線９６は、スキルミオン検出素子１５に接続する。スキルミオン消去線９６は、スキルミオン検出素子１５にスキルミオン検出用の電流を流す。 The skyrmion erase line 96 is connected to the skyrmion detection element 15. The skyrmion erase line 96 causes a current for skyrmion detection to flow through the skyrmion detection element 15.
ワード線９７は、磁性体１１の端部に接続する。ワード線９７は、スキルミオン検出素子１５および磁性体１１を介して、スキルミオン消去線９６に接続する。スキルミオン４０は、スキルミオン消去線９６からワード線９７に電流を流すことにより検出する。複数のスキルミオンメモリ１００にワード線９７を接続する。例えば、ワード線９７（ｎ）は、ｎ行のスキルミオンメモリ１００にそれぞれ接続する。検出回路９８にワード線９７を接続する。スキルミオン消去線９６およびワード線９７に接続したＦＥＴをスイッチングすることにより、スキルミオンメモリ１００を選択する。スキルミオン４０を検出する場合、スキルミオン生成線９５に接続したＦＥＴをオフする。 The word line 97 is connected to an end of the magnetic body 11. The word line 97 is connected to a skyrmion erase line 96 via the skyrmion detection element 15 and the magnetic body 11. The skyrmion 40 is detected by flowing a current from the skyrmion erase line 96 to the word line 97. A word line 97 is connected to a plurality of skyrmion memories 100. For example, the word lines 97 (n) are respectively connected to n rows of skyrmion memories 100. The word line 97 is connected to the detection circuit 98. By switching the FETs connected to the skyrmion erase line 96 and the word line 97, the skyrmion memory 100 is selected. When detecting skyrmion 40, the FET connected to skyrmion generation line 95 is turned off.
検出回路９８は、ワード線９７に流れる電流もしくは電圧を増幅して、スキルミオン４０の有無を検出する。検出回路９８は、入力抵抗Ｒｉｎ、帰還抵抗Ｒｆ、増幅回路Ｃ１および電圧比較回路Ｃ２を備える。ワード線９７から検出回路９８に入力した電流を、入力抵抗Ｒｉｎを介して、増幅回路Ｃ１に入力する。帰還抵抗Ｒｆを、増幅回路Ｃ１と並列に設ける。増幅回路Ｃ１は、ワード線９７からの電流を電圧変換して増幅する。電圧比較回路Ｃ２には、増幅回路Ｃ１の出力電圧および参照電圧Ｖｒｅｆを入力する。電圧比較回路Ｃ２は、増幅回路Ｃ１の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅｆよりも大きい場合は「１」を出力する。一方、電圧比較回路Ｃ２は、増幅回路Ｃ１の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅｆよりも小さい場合は「０」を出力する。 The detection circuit 98 detects the presence or absence of the skyrmion 40 by amplifying the current or voltage flowing through the word line 97. The detection circuit 98 includes an input resistance Rin, a feedback resistance Rf, an amplification circuit C1, and a voltage comparison circuit C2. The current input from the word line 97 to the detection circuit 98 is input to the amplifier circuit C1 via the input resistor Rin. A feedback resistor Rf is provided in parallel with the amplifier circuit C1. The amplifier circuit C1 converts the current from the word line 97 into a voltage and amplifies it. The output voltage of the amplifier circuit C1 and the reference voltage Vref are input to the voltage comparison circuit C2. The voltage comparison circuit C2 outputs “1” when the output voltage of the amplification circuit C1 is higher than the reference voltage Vref. On the other hand, the voltage comparison circuit C2 outputs “0” when the output voltage of the amplification circuit C1 is smaller than the reference voltage Vref.
例えば、スキルミオンメモリ１００（ｎ、ｎ）におけるスキルミオン４０の有無を検出する場合、スキルミオン消去線９６（ｎ）およびワード線９７（ｎ）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン消去線９６（ｎ）に電流を流すと、スキルミオン４０の有無に応じた抵抗により電圧値が変化する。また、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）においてスキルミオン４０の有無を検出する場合、スキルミオン消去線９６（ｎ＋１）およびワード線９７（ｎ−１）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン消去線９６（ｎ＋１）に電流を流すと、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）において検出用の電流が流れる。ワード線９７（ｎ−１）に接続した検出回路９８において、当該電流を検出する。これにより、スキルミオン４０の存在に応じて、「１」または「０」のデータを得ることができる。即ち、スキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０の存在の有無に応じて、データの読み出しができる。 For example, when detecting the presence or absence of the skyrmion 40 in the skyrmion memory 100 (n, n), the FET connected to the skyrmion erase line 96 (n) and the word line 97 (n) is turned on. Thereafter, when a current flows through the skyrmion erase line 96 (n), the voltage value changes due to the resistance according to the presence or absence of the skyrmion 40. When the presence or absence of the skyrmion 40 is detected in the skyrmion memory 100 (n-1, n + 1), the FET connected to the skyrmion erase line 96 (n + 1) and the word line 97 (n-1) is turned on. Thereafter, when a current is passed through the skyrmion erase line 96 (n + 1), a detection current flows in the skyrmion memory 100 (n−1, n + 1). The detection circuit 98 connected to the word line 97 (n-1) detects the current. Thereby, data “1” or “0” can be obtained according to the existence of the skyrmion 40. That is, the skyrmion memory 100 can read data according to the presence or absence of the skyrmion 40.
以上、図５０から図５２の通り、スキルミオンメモリデバイス１１０は、任意のスキルミオンメモリ１００を選択し、スキルミオン４０の生成、消去および読み出しができる。スキルミオンメモリ１００の周辺に配置したＦＥＴ、検出回路９８の増幅回路Ｃ１および電圧比較回路Ｃ２は、ＣＭＯＳデバイスで構成する。複数のスキルミオンメモリ１００を平面状に配列する。また、平面状に配列したスキルミオンメモリ１００を積層してよい。複数のスキルミオンメモリ１００は、図４５Ａから図４５Ｈで示した通り、少ないホト枚数の製造プロセスで積層できる。スキルミオンメモリ１００は、積層が可能であることにより、集積度を大幅に増加できる。 As described above, as shown in FIGS. 50 to 52, the skyrmion memory device 110 can select an arbitrary skyrmion memory 100 and generate, erase, and read the skyrmion 40. The FETs arranged around the sky-rmion memory 100, the amplification circuit C1 of the detection circuit 98, and the voltage comparison circuit C2 are constituted by CMOS devices. A plurality of skyrmion memories 100 are arranged in a plane. Further, skyrmion memories 100 arranged in a plane may be stacked. As shown in FIG. 45A to FIG. 45H, the plurality of skyrmion memories 100 can be stacked by a manufacturing process with a small number of photos. Since the skyrmion memory 100 can be stacked, the degree of integration can be greatly increased.
図５３は、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００の構成例を示す模式図である。スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００は、スキルミオンメモリデバイス１１０と、固体電子デバイス２１０とを備える。スキルミオンメモリデバイス１１０は、図４３から図４８において説明したスキルミオンメモリデバイス１１０である。固体電子デバイス２１０は、例えばＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスである。固体電子デバイス２１０は、スキルミオンメモリデバイス１１０へのデータの書き込み、および、スキルミオンメモリデバイス１１０からのデータの読み出しの少なくとも一方の機能を有する。 FIG. 53 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a solid-state electronic device 200 equipped with a skyrmion memory. The solid-state electronic device 200 with skyrmion memory includes a skyrmion memory device 110 and a solid-state electronic device 210. The skyrmion memory device 110 is the skyrmion memory device 110 described with reference to FIGS. The solid-state electronic device 210 is, for example, a CMOS-LSI device. The solid-state electronic device 210 has at least one function of writing data to the skyrmion memory device 110 and reading data from the skyrmion memory device 110.
図５４は、データ記録装置３００の構成例を示す模式図である。データ記録装置３００は、スキルミオンメモリデバイス１１０と、入出力装置３１０とを備える。データ記録装置３００は、例えばハードディスク、または、ＵＳＢメモリ等のメモリデバイスである。スキルミオンメモリデバイス１１０は、図４３から図４８において説明したスキルミオンメモリデバイス１１０である。入出力装置３１０は、外部からスキルミオンメモリデバイス１１０へのデータの書き込み機能、および、スキルミオンメモリデバイス１１０からデータを読み出して外部に出力する機能の少なくとも一方を有する。 FIG. 54 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the data recording device 300. The data recording device 300 includes a skyrmion memory device 110 and an input / output device 310. The data recording device 300 is, for example, a hard disk or a memory device such as a USB memory. The skyrmion memory device 110 is the skyrmion memory device 110 described with reference to FIGS. The input / output device 310 has at least one of a function of writing data to the skyrmion memory device 110 from the outside and a function of reading data from the skyrmion memory device 110 and outputting the data to the outside.
図５５は、データ処理装置４００の構成例を示す模式図である。データ処理装置４００は、スキルミオンメモリデバイス１１０と、プロセッサ４１０とを備える。スキルミオンメモリデバイス１１０は、図４３から図４８において説明したスキルミオンメモリデバイス１１０である。プロセッサ４１０は、例えばデジタル信号を処理するデジタル回路を有する。プロセッサ４１０は、スキルミオンメモリデバイス１１０へのデータの書き込み、および、スキルミオンメモリデバイス１１０からのデータの読み出しの少なくとも一方の機能を有する。 FIG. 55 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the data processing device 400. The data processing device 400 includes a skyrmion memory device 110 and a processor 410. The skyrmion memory device 110 is the skyrmion memory device 110 described with reference to FIGS. The processor 410 has a digital circuit that processes digital signals, for example. The processor 410 has at least one function of writing data to the skyrmion memory device 110 and reading data from the skyrmion memory device 110.
図５６は、通信装置５００の構成例を示す模式図である。通信装置５００は、例えば携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末等の、外部との通信機能を有する装置全般を指す。通信装置５００は携帯型であってよく、非携帯型であってもよい。通信装置５００は、スキルミオンメモリデバイス１１０と、通信部５１０とを備える。スキルミオンメモリデバイス１１０は、図４３から図４８において説明したスキルミオンメモリデバイス１１０である。通信部５１０は、通信装置５００の外部との通信機能を有する。通信部５１０は、無線通信機能を有してよく、有線通信機能を有してよく、無線通信および有線通信の双方の機能を有していてもよい。通信部５１０は、外部から受信したデータをスキルミオンメモリデバイス１１０に書き込む機能、スキルミオンメモリデバイス１１０から読み出したデータを外部に送信する機能、および、スキルミオンメモリデバイス１１０が記憶した制御情報に基づいて動作する機能の少なくとも一つを有する。 FIG. 56 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the communication device 500. The communication device 500 refers to all devices having a function of communicating with the outside, such as a mobile phone, a smartphone, and a tablet terminal. Communication device 500 may be portable or non-portable. The communication device 500 includes a skyrmion memory device 110 and a communication unit 510. The skyrmion memory device 110 is the skyrmion memory device 110 described with reference to FIGS. The communication unit 510 has a function of communicating with the outside of the communication device 500. The communication unit 510 may have a wireless communication function, may have a wired communication function, and may have both wireless communication and wired communication functions. Communication unit 510 has a function of writing data received from the outside to skyrmion memory device 110, a function of transmitting data read from skyrmion memory device 110 to the outside, and a function based on control information stored in skyrmion memory device 110. It has at least one of the functions that operate.
以上の通り、高速、且つ、低消費電力でスキルミオン４０を生成、消去、検知できる磁気素子およびこの磁気素子を応用した不揮発性スキルミオンメモリ１００、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００、データ記録装置３００、データ処理装置４００および通信装置を提供することができる。
［項目１］
スキルミオンの生成及び消去が可能な磁気素子であって、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む端部領域を囲んで設けた電流経路と、
前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と
を備える磁気素子。
［項目２］
前記磁気素子において、
前記磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
となるサイズを備える項目１に記載の磁気素子。
［項目３］
前記磁気素子において、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をＷ、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈとすると、
λ≧Ｗ＞λ／４
２λ＞ｈ＞λ／２
となる項目２に記載の磁気素子。
［項目４］
前記磁気素子において、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をＷ、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈ、前記電流経路と前記磁性体の端部と隣接する他端部のうち最も近い他端部との間隙の幅をｄとすると、
λ≧Ｗ＞λ／４
２λ＞ｈ＞λ／２
０．４λ＞ｄ≧０．２λ
となる項目２に記載の磁気素子。
［項目５］
スキルミオンの生成及び消去が可能な磁気素子であって、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む第１端部領域を囲んで設けた第１電流経路と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む前記第１端部領域内に第２端部領域を囲んで設けた第２電流経路と、
前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と、
を備え、
前記磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
となるサイズを備え、
前記第１端部領域は、前記第１端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅Ｗ１、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈ１とすると、
λ≧Ｗ１＞λ／４
２λ＞ｈ１＞λ／２６
となり、
前記第２端部領域は、前記第２端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅Ｗ２、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈ２とすると、
Ｗ２＝Ｗ１
ｈ２＝Ｗ１
となる磁気素子。
［項目６］
項目１から５のいずれか一項に記載の磁気素子であって、
前記磁気素子が厚さ方向に積層した多層構造を有する磁気素子。
［項目７］
前記磁性体は、印加する磁場に応じて、前記スキルミオンが発生するスキルミオン結晶相と強磁性相とが少なくとも発現する、
項目１から６のいずれか１項に記載の磁気素子。
［項目８］
前記磁性体は、カイラル磁性体、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体、または、磁性材料と非磁性材料との積層構造のいずれかからなる、
項目７に記載の磁気素子。
［項目９］
前記スキルミオン検出素子は、
前記磁性体の一面において前記磁性体の表面に接する非磁性絶縁体薄膜と、前記非磁性絶縁体薄膜上に設けた磁性体金属との積層構造を有し、
前記積層構造は、前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、抵抗値が変化する項目１から８のいずれか一項に記載の磁気素子。
［項目１０］
前記スキルミオン検出素子は、
前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第１非磁性金属からなる第１電極と、
前記第１電極とは離間して、前記第１電極と対向する前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第２非磁性金属からなる第２電極と
を備え、
前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、前記第１電極と前記第２電極との間における前記磁性体の抵抗値が変化する項目１から８のいずれか一項に記載の磁気素子。
［項目１１］
前記スキルミオン検出素子は、
前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第１非磁性金属からなる第１電極と、
前記第１電極とは離間して、前記第１電極と対向する前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第２非磁性金属からなる第２電極と、
第１電極と第２電極とがなす配列に対して垂直の配置で、前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第３非磁性金属からなる第３電極と、
第３電極とは離間して、前記第３電極と対向する前記磁性体の端部に接して第４非磁性金属からなる第４電極と
を備え、
前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、前記第３電極と前記第４電極との間における前記磁性体の電圧値が変化する項目１から８のいずれか一項に記載の磁気素子。
［項目１２］
項目１に記載の磁気素子と、
前記磁性体の一面に対向して設け、前記磁性体に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記電流経路に電流を印加することで、前記端部領域に第２磁場を発生させることが可能な第1電源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオン検出素子の検出結果に基づいて、前記スキルミオンの生成及び消去を測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。
［項目１３］
前記第1電源は、前記端部領域に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスと、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である項目１２に記載のスキルミオンメモリ。
［項目１４］
前記生成パルスの方向と前記消去パルスの方向とが異なる項目１３に記載のスキルミオンメモリ。
［項目１５］
前記端部領域の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをＪとすると、前記生成パルスにより、０．０１５Ｊより小さくなり、前記消去パルスにより、０．０４Ｊより大きくなる項目１３または１４に記載のスキルミオンメモリ。
［項目１６］
項目４に記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一面に対向して設け、前記磁気素子に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記電流経路に電流を印加することで、前記電流経路に第２磁場を発生させることが可能な第１電源と、
を備えるスキルミオンメモリ。
［項目１７］
前記第１電源は、前記端部領域に対し、スキルミオンを生成する生成パルスと、スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である項目１６に記載のスキルミオンメモリ。
［項目１８］
前記生成パルスの電流方向と前記消去パルスの方向が同一の方向である項目１７に記載のスキルミオンメモリ。
［項目１９］
前記端部領域の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをＪとすると、前記生成パルスにより、０．０１５Ｊより小さくなり、前記消去パルスにより、０．０１５Ｊより大きくなる項目１７または１８に記載のスキルミオンメモリ。
［項目２０］
項目５に記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一面に対向して設け、前記磁気素子に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記第１電流経路に電流を印加することで、前記第１端部領域に第２磁場を発生させることが可能な第１電源と、
前記磁気素子の前記第２電流経路に電流を印加することで、前記第２端部領域に第３磁場を発生させることが可能な第２電源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオンの生成及び消去を、抵抗値の変化として測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。
［項目２１］
項目５に記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一面に対向して設け、前記磁気素子に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記第１電流経路に電流を印加することで、前記第１端部領域に第２磁場を発生させることが可能な第１電源と、
前記磁気素子の前記第２電流経路に電流を印加することで、前記第２端部領域に第３磁場を発生させることが可能な第２電源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオンの生成及び消去を、電圧値の変化として測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。
［項目２２］
前記第１電源は、前記第１端部領域に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスを発生させ、
前記第２電源は、前記第２端部領域に対し、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である項目２０または２１に記載のスキルミオンメモリ。
［項目２３］
前記生成パルスの方向と前記消去パルスの方向とが、同一の方向である項目２２に記載のスキルミオンメモリ。
［項目２４］
前記第２磁場の磁場強度と前記第３磁場の磁場強度が同じである項目２３に記載のスキルミオンメモリ。
［項目２５］
前記第２磁場の磁場強度と前記第３磁場の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをＪとすると、０．０１５Jより小さい項目２３または２４に記載のスキルミオンメモリ。
［項目２６］
前記第２磁場の磁場強度より前記第３磁場の磁場強度が大きい項目２３に記載のスキルミオンメモリ。
［項目２７］
前記第２磁場の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをＪとすると、０．０１５Jより小さくなり、
前記第３磁場の磁場強度は、０．０２Jよりも小さくなる項目２６に記載のスキルミオンメモリ。
［項目２８］
項目１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを一つの記憶単位メモリとして構成した複数のスキルミオンメモリと、
前記複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを生成するために、前記複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン生成線と、
前記複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを消去するために、前記複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン消去線と、
スキルミオンの有無を検知するワード線と、
前記スキルミオン生成線、前記スキルミオン消去線、前記ワード線には前記スキルミオンメモリを選択する電界効果トランジスタと、
前記ワード線に流れる電流もしくは電圧を増幅し、前記スキルミオンの有無を検出する検出回路と
を備えるスキルミオンメモリデバイス。
［項目２９］
基板と、
前記基板上に形成した電界効果トランジスタと、
前記基板の上方に形成したスキルミオンメモリデバイスと
を有し、
前記スキルミオンメモリデバイスは、項目１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ有するスキルミオンメモリ搭載のデータ処理装置。
［項目３０］
前記スキルミオンメモリデバイスを、前記電界効果トランジスタの上方に積層する項目２９に記載のデータ処理装置。
［項目３１］
項目１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスと固体電子デバイスを同一チップ内に形成しているスキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス。
［項目３２］
項目１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ記録装置。
［項目３３］
項目１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ処理装置。
［項目３４］
項目１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ通信装置。
As described above, the magnetic element capable of generating, erasing, and detecting the skyrmion 40 at high speed and with low power consumption, the nonvolatile skyrmion memory 100 using the magnetic element, the solid-state electronic device 200 equipped with the skyrmion memory, and the data recording device 300, a data processing device 400, and a communication device can be provided.
[Item 1]
A magnetic element capable of generating and erasing skyrmions,
A thin-layered magnetic body having a structure surrounded by a non-magnetic body,
A current path provided on one surface of the magnetic body so as to surround an end region including an end of the magnetic body;
A skyrmion detection element for detecting generation and erasure of the skyrmion;
A magnetic element comprising:
[Item 2]
In the magnetic element,
Assuming that the magnetic material has a width of Wm and a height of hm, the diameter of the generated skyrmion is λ,
2λ>Wm> λ / 2
2λ>hm> λ / 2
Item 2. The magnetic element according to item 1, which has a size as follows.
[Item 3]
In the magnetic element,
The end region is W in the direction parallel to the end of the magnetic body in the end region, and h is the height in the direction perpendicular to the end of the magnetic body in the end region.
λ ≧ W> λ / 4
2λ>h> λ / 2
3. The magnetic element according to item 2, wherein
[Item 4]
In the magnetic element,
The end region has a width W in a direction parallel to an end of the magnetic body in the end region, a height h in a direction perpendicular to an end of the magnetic body in the end region, and the current path. And d is the width of the gap between the end of the magnetic body and the other end closest to the other end.
λ ≧ W> λ / 4
2λ>h> λ / 2
0.4λ> d ≧ 0.2λ
3. The magnetic element according to item 2, wherein
[Item 5]
A magnetic element capable of generating and erasing skyrmions,
A thin-layered magnetic body having a structure surrounded by a non-magnetic body,
A first current path provided on one surface of the magnetic body and surrounding a first end region including an end of the magnetic body;
A second current path provided on one surface of the magnetic body and surrounding the second end area in the first end area including the end of the magnetic body;
A skyrmion detection element that detects generation and erasure of the skyrmion,
With
Assuming that the magnetic material has a width of Wm and a height of hm, the diameter of the generated skyrmion is λ,
2λ>Wm> λ / 2
2λ>hm> λ / 2
With a size that will be
The first end region has a width W1 in the first end region parallel to the end of the magnetic body and a height h1 in the end region in a direction perpendicular to the end of the magnetic body in the end region. Then
λ ≧ W1> λ / 4
2λ>h1> λ / 26
Becomes
The second end region has a width W2 in a direction parallel to the end of the magnetic body in the second end region, and a height h2 in a direction perpendicular to the end of the magnetic body in the end region. Then
W2 = W1
h2 = W1
Magnetic element.
[Item 6]
6. The magnetic element according to any one of items 1 to 5, wherein
A magnetic element having a multilayer structure in which the magnetic elements are stacked in a thickness direction.
[Item 7]
In the magnetic material, at least a skyrmion crystal phase and a ferromagnetic phase in which the skyrmion is generated according to an applied magnetic field are expressed.
7. The magnetic element according to any one of items 1 to 6.
[Item 8]
The magnetic material is a chiral magnetic material, a dipole magnetic material, a frustrated magnetic material, or one of a laminated structure of a magnetic material and a non-magnetic material,
Item 8. The magnetic element according to Item 7.
[Item 9]
The skyrmion detection element,
A nonmagnetic insulator thin film in contact with the surface of the magnetic material on one surface of the magnetic material, and a laminated structure of a magnetic metal provided on the nonmagnetic insulator thin film,
The magnetic element according to any one of items 1 to 8, wherein the laminated structure has a resistance value that changes in accordance with generation and erasure of the skyrmion.
[Item 10]
The skyrmion detection element,
A first electrode made of a first non-magnetic metal in contact with the magnetic body in the same layer at an end of the magnetic body;
A second electrode made of a second non-magnetic metal, which is separated from the first electrode and is in contact with the magnetic body in the same layer at an end of the magnetic body facing the first electrode;
With
9. The magnetic element according to any one of items 1 to 8, wherein a resistance value of the magnetic material between the first electrode and the second electrode changes according to generation and erasure of the skyrmion.
[Item 11]
The skyrmion detection element,
A first electrode made of a first non-magnetic metal in contact with the magnetic body in the same layer at an end of the magnetic body;
A second electrode made of a second non-magnetic metal, which is separated from the first electrode and at the end of the magnetic body facing the first electrode, in contact with the magnetic body in the same layer;
A third electrode made of a third nonmagnetic metal, which is perpendicular to an array formed by the first electrode and the second electrode, and at the end of the magnetic body, which is in contact with the magnetic body in the same layer;
A fourth electrode made of a fourth non-magnetic metal, separated from the third electrode, in contact with an end of the magnetic body facing the third electrode;
With
The magnetic element according to any one of items 1 to 8, wherein a voltage value of the magnetic material between the third electrode and the fourth electrode changes according to generation and erasure of the skyrmion.
[Item 12]
A magnetic element according to item 1,
A magnetic field generator that is provided to face one surface of the magnetic body and applies a first magnetic field to the magnetic body from a first direction;
A first power supply capable of generating a second magnetic field in the end region by applying a current to the current path of the magnetic element;
A measuring unit connected to the skyrmion detection element and measuring generation and erasure of the skyrmion based on a detection result of the skyrmion detection element;
Skillmion memory with.
[Item 13]
13. The skyrmion memory according to item 12, wherein the first power supply can generate a generation pulse for generating the skyrmion and an erasing pulse for erasing the skyrmion with respect to the end region.
[Item 14]
14. The skyrmion memory according to item 13, wherein the direction of the generated pulse is different from the direction of the erase pulse.
[Item 15]
Assuming that the magnitude of the exchange interaction energy of the magnetic material is J, the magnetic field strength of the end region becomes smaller than 0.015 J by the generated pulse and larger than 0.04 J by the erase pulse. Or the skyrmion memory according to 14.
[Item 16]
A magnetic element according to item 4,
A magnetic field generator that is provided to face one surface of the magnetic element and applies a first magnetic field to the magnetic element from a first direction;
A first power supply capable of generating a second magnetic field in the current path by applying a current to the current path of the magnetic element;
Skillmion memory with.
[Item 17]
17. The skyrmion memory according to item 16, wherein the first power supply can generate a generation pulse for generating a skyrmion and an erasing pulse for erasing the skyrmion with respect to the end region.
[Item 18]
Item 18. The skyrmion memory according to Item 17, wherein the current direction of the generated pulse and the direction of the erase pulse are the same.
[Item 19]
Assuming that the magnitude of the exchange interaction energy of the magnetic material is J, the magnetic field strength of the end region becomes smaller than 0.015 J by the generated pulse and becomes larger than 0.015 J by the erase pulse. Or the skyrmion memory according to 18.
[Item 20]
A magnetic element according to item 5,
A magnetic field generator that is provided to face one surface of the magnetic element and applies a first magnetic field to the magnetic element from a first direction;
A first power supply capable of generating a second magnetic field in the first end region by applying a current to the first current path of the magnetic element;
A second power supply capable of generating a third magnetic field in the second end region by applying a current to the second current path of the magnetic element;
A measuring unit connected to the skyrmion detection element, for measuring generation and erasure of the skyrmion as a change in resistance value;
Skillmion memory with.
[Item 21]
A magnetic element according to item 5,
A magnetic field generator that is provided to face one surface of the magnetic element and applies a first magnetic field to the magnetic element from a first direction;
A first power supply capable of generating a second magnetic field in the first end region by applying a current to the first current path of the magnetic element;
A second power supply capable of generating a third magnetic field in the second end region by applying a current to the second current path of the magnetic element;
A measuring unit connected to the skyrmion detection element, for measuring generation and erasure of the skyrmion as a change in voltage value;
Skillmion memory with.
[Item 22]
The first power supply generates a generation pulse for generating the skyrmion with respect to the first end region,
22. The skyrmion memory according to item 20 or 21, wherein the second power supply is capable of generating an erase pulse for erasing the skyrmion from the second end region.
[Item 23]
23. The skyrmion memory according to item 22, wherein the direction of the generated pulse and the direction of the erase pulse are the same.
[Item 24]
23. The skyrmion memory according to item 23, wherein the magnetic field strength of the second magnetic field and the magnetic field strength of the third magnetic field are the same.
[Item 25]
The skyrmion memory according to item 23 or 24, wherein the magnetic field strength of the second magnetic field and the magnetic field strength of the third magnetic field are smaller than 0.015 J, where J is the magnitude of the exchange interaction energy of the magnetic material.
[Item 26]
Item 23. The skyrmion memory according to Item 23, wherein the magnetic field strength of the third magnetic field is larger than the magnetic field strength of the second magnetic field.
[Item 27]
The magnetic field strength of the second magnetic field is smaller than 0.015 J, where J is the magnitude of the exchange interaction energy of the magnetic material,
27. The skyrmion memory according to item 26, wherein the magnetic field strength of the third magnetic field is smaller than 0.02 J.
[Item 28]
A plurality of skyrmion memories configured as the skyrmion memory according to any one of items 12 to 27 as one storage unit memory,
A skyrmion generation line connected to the plurality of skyrmion memories to generate skyrmions of the plurality of skyrmion memories;
A skyrmion erase line connected to the plurality of skyrmion memories to erase skyrmions of the plurality of skyrmion memories;
A word line for detecting the presence or absence of skyrmion;
A field effect transistor that selects the skyrmion memory for the skyrmion generation line, the skyrmion erase line, and the word line;
A detection circuit that amplifies the current or voltage flowing through the word line and detects the presence or absence of the skyrmion;
Skyrmion memory device equipped with.
[Item 29]
Board and
A field-effect transistor formed on the substrate,
A skyrmion memory device formed above the substrate;
Has,
28. A data processor equipped with a sky-million memory having at least one sky-million memory according to any one of items 12 to 27, wherein the sky-million memory device is provided.
[Item 30]
30. The data processing apparatus according to item 29, wherein the skyrmion memory device is stacked above the field-effect transistor.
[Item 31]
28. A solid-state electronic device with skyrmion memory, wherein a solid-state electronic device and a solid-state electronic device including at least one skyrmion memory according to any one of items 12 to 27 are formed in the same chip.
[Item 32]
28. A data recording device equipped with a skyrmion memory device including at least one skyrmion memory according to any one of items 12 to 27.
[Item 33]
28. A data processing device equipped with a skyrmion memory device including at least one skyrmion memory according to any one of items 12 to 27.
[Item 34]
28. A data communication apparatus equipped with a skyrmion memory device including at least one skyrmion memory according to any one of items 12 to 27.
１ マグネチックシフトレジスタ、２ 磁気センサ、１０ 磁気素子、１１ 磁性体、１２ 電流経路、１３ 切欠部、１５ スキルミオン検出素子、２０ 磁場発生部、３０ 測定部、３１ 測定用電源、３２ 電流計、３３ 電圧計、４０ スキルミオン、５０ コイル電流用電源、６０ 磁性体層、６１ 絶縁体、６５ 磁性体保護層、６６ 磁性体保護膜、６７ 第１ビア、７０ 第１配線層、７１ 第１配線、７２ 第１配線保護膜、７３ 第２ビア、７５ 第２配線層、７６ 第２配線、７７ 第２配線保護膜、８０ 基板、８５ レジスト、９０ ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ、９１ ＰＭＯＳ‐ＦＥＴ、９２ ＮＭＯＳ‐ＦＥＴ、９５ スキルミオン生成線、９６ スキルミオン消去線、９７ ワード線、９８ 検出回路、９９ ＦＥＴ、１００ スキルミオンメモリ、１５１ 非磁性体薄膜、１５２ 磁性体金属、１５３ 第１電極、１５４ 第２電極、１５５ 第３電極、１５６ 第４電極、２００ スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、２１０ 固体電子デバイス、３００ データ記録装置、３１０ 入出力装置、４００ データ処理装置、４１０ プロセッサ、５００ 通信装置、５１０ 通信部 Reference Signs List 1 magnetic shift register, 2 magnetic sensor, 10 magnetic element, 11 magnetic body, 12 current path, 13 notch, 15 skirmion detecting element, 20 magnetic field generating section, 30 measuring section, 31 measuring power supply, 32 ammeter, 33 voltmeter, 40 skyrmion, 50 coil current power supply, 60 magnetic layer, 61 insulator, 65 magnetic protective layer, 66 magnetic protective film, 67 first via, 70 first wiring layer, 71 first wiring , 72 first wiring protection film, 73 second via, 75 second wiring layer, 76 second wiring, 77 second wiring protection film, 80 substrate, 85 resist, 90 CMOS-FET, 91 PMOS-FET, 92 NMOS- FET, 95 skyrmion generation line, 96 skyrmion erase line, 97 word line, 98 detection circuit, 99 FET, 100 skyrmion Moly, 151 non-magnetic thin film, 152 magnetic metal, 153 first electrode, 154 second electrode, 155 third electrode, 156 fourth electrode, 200 solid-state electronic device with skyrmion memory, 210 solid-state electronic device, 300 data recording Device, 310 input / output device, 400 data processing device, 410 processor, 500 communication device, 510 communication unit
Claims (16)
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面に設けられ、前記磁性体の端部を含む端部領域を部分的に囲んで設けた電流経路と、
前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と
を備え、
前記磁性体は印加する磁場の大きさに応じてスキルミオン結晶相および強磁性相を発現し、
前記磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
を満たし、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をＷ、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈとすると、
λ≧Ｗ＞λ／４
２λ＞ｈ＞λ／２
を満たし、
前記磁場が印加されている前記磁性体に対して前記電流経路に電流を流すことで発生する磁場の大きさおよび向きに応じて前記スキルミオンを生成および消去する、
磁気素子。 A magnetic element capable of generating and erasing skyrmions,
A thin-layered magnetic body having a structure surrounded by a non-magnetic body,
A current path provided on one surface of the magnetic body and partially surrounding an end region including an end of the magnetic body;
And a skyrmion detection element that detects generation and erasure of the skyrmion .
The magnetic material expresses a skyrmion crystal phase and a ferromagnetic phase according to the magnitude of the applied magnetic field,
Assuming that the magnetic material has a width of Wm and a height of hm, the diameter of the generated skyrmion is λ,
2λ>Wm> λ / 2
2λ>hm> λ / 2
The filling,
The end region is W in the direction parallel to the end of the magnetic body in the end region, and h is the height in the direction perpendicular to the end of the magnetic body in the end region.
λ ≧ W> λ / 4
2λ>h> λ / 2
The filling,
Generating and erasing the skyrmion in accordance with the magnitude and direction of a magnetic field generated by flowing a current through the current path with respect to the magnetic body to which the magnetic field is applied,
Magnetic element.
請求項１に記載の磁気素子。 The magnetic element according to claim 1, wherein in the magnetic element, the end region includes a notch .
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をＷ、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈ、前記電流経路と前記磁性体の端部と隣接する他端部のうち最も近い他端部との間隙の幅をｄとすると、
λ≧Ｗ＞λ／４
２λ＞ｈ＞λ／２
０．４λ＞ｄ≧０．２λ
となる請求項１または２に記載の磁気素子。 In the magnetic element,
The end region has a width W in a direction parallel to an end of the magnetic body in the end region, a height h in a direction perpendicular to an end of the magnetic body in the end region, and the current path. And d is the width of the gap between the end of the magnetic body and the other end closest to the other end.
λ ≧ W> λ / 4
2λ>h> λ / 2
0.4λ> d ≧ 0.2λ
The magnetic element according to claim 1 or 2 becomes.
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面に設けられ、前記磁性体の端部を含む第１端部領域を部分的に囲んで設けた第１電流経路と、
前記磁性体の一面に設けられ、前記磁性体の端部を含む前記第１端部領域内に第２端部領域を部分的に囲んで設けた第２電流経路と、
前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と、
を備え、
前記磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
となるサイズを備え、
前記第１端部領域は、前記第１端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅Ｗ１、前記第１端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈ１とすると、
λ≧Ｗ１＞λ／４
２λ＞ｈ１＞λ／２
となり、
前記第２端部領域は、前記第２端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅Ｗ２、前記第２端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈ２とすると、
Ｗ２＝Ｗ１
ｈ２＝Ｗ１
となる磁気素子。 A magnetic element capable of generating and erasing skyrmions,
A thin-layered magnetic body having a structure surrounded by a non-magnetic body,
A first current path provided on one surface of the magnetic body and partially surrounding a first end region including an end of the magnetic body;
A second current path provided on one surface of the magnetic body and partially surrounding a second end area in the first end area including an end of the magnetic body;
A skyrmion detection element that detects generation and erasure of the skyrmion,
With
Assuming that the magnetic material has a width of Wm and a height of hm, the diameter of the generated skyrmion is λ,
2λ>Wm> λ / 2
2λ>hm> λ / 2
With a size that will be
The first end region has a width W1 parallel to the end of the magnetic body in the first end region, and a height perpendicular to the end of the magnetic body in the first end region. Is h1,
λ ≧ W1> λ / 4
2λ>h1> λ / 2
Becomes
The second end region has a width W2 parallel to the end of the magnetic body in the second end region, and a height perpendicular to the end of the magnetic body in the second end region. Let h2 be
W2 = W1
h2 = W1
Magnetic element.
前記磁性体は、印加する磁場に応じて、前記スキルミオンが発生するスキルミオン結晶相と強磁性相とが少なくとも発現する、又は
前記磁性体は、カイラル磁性体、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体、または、磁性材料と非磁性材料との積層構造のいずれかからなる、
請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気素子。 The magnetic element has a multilayer structure laminated in the thickness direction, or the magnetic material, at least a skyrmion crystal phase and a ferromagnetic phase in which the skyrmion is generated, according to an applied magnetic field, or The magnetic material is composed of a chiral magnetic material, a dipole magnetic material, a frustrated magnetic material, or a laminated structure of a magnetic material and a non-magnetic material,
The magnetic device according to any one of claims 1 to 4.
前記磁性体の一面において前記磁性体の表面に接する非磁性絶縁体薄膜と、前記非磁性絶縁体薄膜上に設けた磁性体金属との積層構造を有し、
前記積層構造は、前記スキルミオンの有り無しに応じて、抵抗値が変化する請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気素子。 The skyrmion detection element,
A nonmagnetic insulator thin film in contact with the surface of the magnetic material on one surface of the magnetic material, and a laminated structure of a magnetic metal provided on the nonmagnetic insulator thin film,
The laminated structure, the skills in accordance with the presence or absence of Mion, magnetic element according to claim 1, any one of 5 whose resistance value changes.
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面に設けられ、前記磁性体の端部を含む端部領域を部分的に囲んで設けた電流経路と、
前記端部領域における前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と
を備え、
前記磁性体は印加する磁場の大きさに応じてスキルミオン結晶相および強磁性相を発現し、
前記磁場が印加されている前記磁性体に対して前記電流経路に電流を流すことで発生する磁場の大きさおよび向きに応じて前記スキルミオンを生成および消去し、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をＷ、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
λ≧Ｗ＞λ／４
２λ＞ｈ＞λ／２
を満たし、
前記磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
を満たし、
前記電流経路は、前記端部領域を部分的に囲む実質的にＵ字状または実質的にＶ字状を形成し、前記Ｕ字状または前記Ｖ字状は、全体が前記磁性体の一方の側にのみ設けられ、前記磁性体が延伸する平面に平行である磁気素子。 A magnetic element capable of generating and erasing skyrmions,
A thin-layered magnetic body having a structure surrounded by a non-magnetic body,
A current path provided on one surface of the magnetic body and partially surrounding an end region including an end of the magnetic body;
A skyrmion detection element that detects generation and elimination of the skyrmion in the end region,
The magnetic material expresses a skyrmion crystal phase and a ferromagnetic phase according to the magnitude of the applied magnetic field,
Generates and erases the skyrmion according to the magnitude and direction of a magnetic field generated by flowing a current through the current path with respect to the magnetic body to which the magnetic field is applied,
When the width of the end region in the direction parallel to the end of the magnetic body in the end region is W, and the height of the end region in the direction perpendicular to the end of the magnetic body in the end region is h, the width is generated. For the diameter λ of the skyrmion,
λ ≧ W> λ / 4
2λ>h> λ / 2
The filling,
The magnetic body has a width of Wm and a height of hm,
2λ>Wm> λ / 2
2λ>hm> λ / 2
The filling,
The current path forms a substantially U shape or a substantially V shape partially surrounding the end region, and the U shape or the V shape is entirely one of the magnetic members. A magnetic element provided only on the side and parallel to a plane in which the magnetic body extends.
前記磁性体の一面に対向して設け、前記磁性体に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオン検出素子の検出結果に基づいて、前記スキルミオンの有無を検出する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。 A magnetic element according to any one of claims 1 to 7 ,
A magnetic field generator that is provided to face one surface of the magnetic body and applies a first magnetic field to the magnetic body from a first direction;
A skyrmion memory connected to the skyrmion detection element, the measurement section detecting presence or absence of the skyrmion based on a detection result of the skyrmion detection element.
前記端部領域の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをＪとすると、前記生成パルスにより、０．０１５Ｊより小さくなり、前記消去パルスにより、０．０４Ｊより大きくなる請求項９に記載のスキルミオンメモリ。 The direction of the generated pulse and the direction of the erase pulse are different, or the magnetic field strength of the end region is 0.015 J by the generated pulse, assuming that the magnitude of the exchange interaction energy of the magnetic material is J. The skyrmion memory according to claim 9 , wherein the value becomes smaller and becomes larger than 0.04 J by the erase pulse.
前記複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを生成するために、前記複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン生成線と、
前記複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを消去するために、前記複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン消去線と、
スキルミオンの有無を検知するワード線と、
前記スキルミオン生成線、前記スキルミオン消去線、前記ワード線には前記スキルミオンメモリを選択する電界効果トランジスタと、
前記ワード線に流れる電流もしくは電圧を増幅し、前記スキルミオンの有無を検出する検出回路と
を備えるスキルミオンメモリデバイス。 A plurality of skyrmion memories each including the skyrmion memory according to any one of claims 8 to 11 configured as one storage unit memory,
A skyrmion generation line connected to the plurality of skyrmion memories to generate skyrmions of the plurality of skyrmion memories;
A skyrmion erase line connected to the plurality of skyrmion memories to erase skyrmions of the plurality of skyrmion memories;
A word line for detecting the presence or absence of skyrmion;
A field effect transistor that selects the skyrmion memory for the skyrmion generation line, the skyrmion erase line, and the word line;
A detection circuit for amplifying a current or voltage flowing through the word line to detect the presence or absence of the skyrmion.
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